暗物質的本質是懸而未決的世紀科學難題。
近日，中國科學技術大學教授王慧元團隊首次在觀測中發現彌散矮星系異常高的成團性，證實了宇宙中“暗物質暈集聚偏置”現象，并揭示其與矮星系演化及暗物質本質的深層關聯。
該研究為理解星系形成機制和探索暗物質屬性提供了重要觀測依據，可能將修正冷暗物質宇宙學模型。5月21日，研究成果發表于國際著名科學雜志《自然》。
《自然》審稿人稱贊該成果是“一個原創且非常讓人驚訝的觀測結果”“通過星系成團性測試暗物質自相互作用是一個嶄新的嘗試，可能具有持續的影響”。
用中國水墨畫描述的宇宙大尺度結構和星系的關聯。葉子的莖稈勾勒出暗物質結構的分布，水珠中映射出矮星系。課題組供圖 觀測到異常的成團性模式
“現有的很多觀測數據顯示，宇宙中除了看得見的恒星和氣體以外，還有一類物質不可見，也就是暗物質。它占宇宙物質總質量的85%。”王慧元向《中國科學報》介紹。
宇宙早期，這些微小的暗物質粒子通過引力聚集，形成小的暗物質團塊，被稱為暗物質暈。隨后，這些團塊合并形成更大的暗物質暈，氣體在其中聚集，從而誕生了星系。
有趣的是，科學家觀測發現星系并非隨機分布在宇宙中，而往往是聚集在一起。尤其是致密星系，更喜歡“扎堆”，成團性更高。“所謂致密星系，是指相同質量情況下，體積小、密度高的星系；體積大、密度低的星系則叫作彌散星系。”王慧元解釋。
矮星系在宇宙中普遍存在、數量眾多，但由于其亮度小、觀測難，在以往天文觀測研究中容易被忽視。近年來，矮星系中越來越多的特殊現象被觀測到，引起國內外研究團隊的關注。
“矮星系分布廣泛，是一個很好地研究宇宙中物質分布的示蹤體；其次，矮星系中的暗物質比例較高，其形成和演化主要受暗物質主導。因此，矮星系也是一個很好地研究暗物質的載體。”王慧元介紹。
王慧元團隊在分析斯隆數字巡天項目光學數據時，意外發現了矮星系異常的成團性模式：彌散矮星系在大尺度上的分布呈現異常高的成團性，而致密矮星系的成團性較低。
“這與以往基于大質量星系樣本所得到的經驗結論完全相反，并且相反的趨勢非常明顯。”長期研究星系形成和演化的王慧元敏銳地意識到，這可能是一個罕見和珍貴的發現，暗示著可能存在一種新的物理機制驅動矮星系的形成和結構演化。
首次證實“暗物質暈集聚偏置”現象
為了從理論上解釋矮星系異常的成團性模式，王慧元團隊利用獨立發展的一種宇宙學模擬方法——ELUCID數值模擬重構技術，在計算機中精確再現了近鄰宇宙中暗物質暈的空間分布及其歷史演化路徑。
基于模擬的理論計算，他們發現，這種異常的成團性模式與暗物質暈的形成時間，也就是“年齡”密切相關：彌散矮星系的空間分布模式與年老暗物質暈的空間分布模式一致，而致密矮星系的空間分布模式則與年輕的暗物質暈分布相符。進而，他們很自然地推導出彌散矮星系產生于年老的暗物質暈中，而致密矮星系產生于年輕的暗物質暈中的結論。
“這個推理過程其實也很好理解。我們知道，星系是生長在暗物質暈中。如果暗物質暈喜歡聚集，這個星系自然也就聚集；如果暗物質暈分布得很離散，星系也就不聚集了。因此暗物質暈的成團模式可以用來解釋矮星系的成團模式。”王慧元說。
實際上，20世紀，科學家就發現質量越大的暗物質暈，成團性越強；質量越小的暗物質暈，成團性越弱。隨后，有研究人員通過模擬發現除了質量，“年齡”也影響暗物質暈的成團性，即“暗暈集聚偏置”現象：相同質量的暗物質暈，年老的暗物質暈成團性更強，年輕的暗物質暈成團性較弱。但長期以來，這一預言未能在觀測中發現確鑿的證據。
“我們團隊借助矮星系這一特殊星系族群，首次為‘暗暈集聚偏置’的理論預言提供了高可信度觀測支持。”王慧元說。
冷暗物質宇宙學模型可能要修正
“年老暗物質暈中形成彌散矮星系”僅是團隊基于計算機模擬的一種推斷，其背后的物理原因仍需進一步分析。
標準冷暗物質宇宙學模型成功解釋了大量觀測現象，被學界普遍接受為主流理論框架。在該模型下，王慧元團隊探討了多種可以產生彌散矮星系的物理機制，發現均給出了和觀測現象顯著不同甚至相反的結論。
“標準冷暗物質宇宙學模型可能存在問題。”王慧元提出。但問題究竟出在哪個層面，他一時也沒有頭緒。
一天，王慧元靈機一動，想到了自相互作用暗物質理論模型。這一理論認為，暗物質粒子之間不僅僅通過引力相互作用，還存在微弱的非引力相互作用。暗物質粒子之間會產生碰撞，然后彈開。
借助該模型，團隊發現，在年老暗物質暈中，暗物質粒子之間有更多的時間進行碰撞，從而導致更多“熱量”注入暗物質暈核心，使其結構膨脹，削弱暗物質暈核心區域的引力場強度。引力一旦降低，物質就會開始往外擴散，使得這些暗物質暈更容易孕育彌散矮星系。相比之下，在年輕暗暈中，這種效應較弱，因此更容易形成致密矮星系。
“這一發現至少提供了一個比較顯著的證據，說明在宇宙的黑暗處流動的物質可能不是大家傳統上認為的冷暗物質，而是相互作用暗物質。”王慧元說，這意味著標準冷暗物質宇宙學框架可能要做修正。
“近期，天文學領域又有一個全新數據開始釋放，我們將會得到更豐富的研究樣本。原則上，我們可以根據星系的不同屬性，做更細致的研究。”王慧元建議，不放棄任何一個微小的異常觀測現象，可能會有新的收獲。
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08965-5
本文鏈接：http://www.020gz.com.cn/news-8-4662-0.html矮星系的“蛛絲馬跡”，挑戰傳統暗物質模型
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