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用中國水墨畫描繪宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和星系的關(guān)聯(lián)，其中葉子的莖稈勾勒出暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分布，水珠中映射出矮星系。研究團隊供圖暗物質(zhì)的本質(zhì)是懸而未決的世紀科學(xué)難題。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授王慧元團隊首次在觀測中發(fā)現(xiàn)彌散矮星系異常高的成團性，證實了宇宙中“暗物質(zhì)暈集聚偏置”現(xiàn)象，并揭示了其與矮星系演化及暗物質(zhì)本質(zhì)的深層關(guān)聯(lián)。該研究為理解星系形成機制和探索暗物質(zhì)屬性提供了重要觀測依據(jù)，可能將修正冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型。相關(guān)研究成果5月21日發(fā)表于《自然》。《自然》審稿人稱該成果是“一個原創(chuàng)且非常讓人驚訝的觀測結(jié)果”“通過星系成團性測試暗物質(zhì)自相互作用是一個全新嘗試，可能帶來持續(xù)的影響”。觀測到異常成團性模式“現(xiàn)有的很多觀測數(shù)據(jù)顯示，宇宙中除了看得見的恒星和氣體外，還有一類物質(zhì)不可見，也就是暗物質(zhì)。它占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的85%。”王慧元向《中國科學(xué)報》介紹。宇宙早期，這些微小的暗物質(zhì)粒子通過引力聚集，形成小的暗物質(zhì)團塊，被稱為暗物質(zhì)暈。隨后，這些團塊合并形成更大的暗物質(zhì)暈，氣體在其中聚集，從而誕生星系。有趣的是，科學(xué)家觀測發(fā)現(xiàn)星系并非隨機分布在宇宙中，而是往往聚集在一起。尤其是致密星系，更喜歡“扎堆”，成團性更高?！八^致密星系，是指相同質(zhì)量情況下，體積小、密度高的星系；體積大、密度低的星系則叫彌散星系?！蓖趸墼忉?。矮星系在宇宙中普遍存在且數(shù)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(xiàn)象被觀測到，引發(fā)國內(nèi)外研究團隊的關(guān)注。“首先，矮星系分布廣泛，是研究宇宙中物質(zhì)分布很好的示蹤體；其次，矮星系中的暗物質(zhì)比例較高，其形成和演化主要受暗物質(zhì)主導(dǎo)。因此，矮星系也是研究暗物質(zhì)很好的載體。”王慧元介紹。王慧元團隊在分析斯隆數(shù)字巡天項目光學(xué)數(shù)據(jù)時，意外發(fā)現(xiàn)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(xiàn)異常高的成團性，而致密矮星系的成團性較低?！斑@與以往基于大質(zhì)量星系樣本得到的經(jīng)驗結(jié)論完全相反，并且相反的趨勢非常明顯?！遍L期研究星系形成和演化的王慧元敏銳地意識到，這可能是一個罕見且珍貴的發(fā)現(xiàn)，暗示著可能存在一種新的物理機制驅(qū)動矮星系的形成和結(jié)構(gòu)演化。首次證實“暗物質(zhì)暈集聚偏置”現(xiàn)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(fā)展的一種宇宙學(xué)模擬方法——ELUCID數(shù)值模擬重構(gòu)技術(shù)，在計算機中精確再現(xiàn)了近鄰宇宙中暗物質(zhì)暈的空間分布及其歷史演化路徑?；谀M的理論計算，他們發(fā)現(xiàn)，這種異常的成團性模式與暗物質(zhì)暈的形成時間，也就是“年齡”密切相關(guān)：彌散矮星系的空間分布模式與年老暗物質(zhì)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(zhì)暈分布相符。進而，他們很自然地推導(dǎo)出彌散矮星系產(chǎn)生于年老的暗物質(zhì)暈中，而致密矮星系產(chǎn)生于年輕的暗物質(zhì)暈中的結(jié)論?！斑@個推理過程其實很好理解。我們知道，星系生長在暗物質(zhì)暈中。如果暗物質(zhì)暈喜歡聚集，這個星系自然就聚集；如果暗物質(zhì)暈分布得很離散，星系就不聚集了。因此暗物質(zhì)暈的成團模式可以解釋矮星系的成團模式?！蓖趸墼f。實際上，20世紀，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)質(zhì)量越大的暗物質(zhì)暈成團性越強；質(zhì)量越小的暗物質(zhì)暈成團性越弱。隨后，有研究人員通過模擬發(fā)現(xiàn)，除了質(zhì)量外，“年齡”也影響暗物質(zhì)暈的成團性，即“暗物質(zhì)暈集聚偏置”現(xiàn)象：相同質(zhì)量的暗物質(zhì)暈，年老的暗物質(zhì)暈成團性更強，年輕的暗物質(zhì)暈成團性較弱。但長期以來，未能在觀測中發(fā)現(xiàn)支持這一預(yù)言的確鑿證據(jù)?！拔覀儓F隊借助矮星系這一特殊星系族群，首次為‘暗物質(zhì)暈集聚偏置’的理論預(yù)言提供了高可信度觀測支持。”王慧元說。冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型可能要修正“年老暗物質(zhì)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(zhì)宇宙學(xué)模型成功解釋了大量觀測現(xiàn)象，學(xué)界普遍接受其為主流理論框架。在該模型下，王慧元團隊探討了多種可以產(chǎn)生彌散矮星系的物理機制，均得到了和觀測現(xiàn)象顯著不同甚至相反的結(jié)論?！皹藴世浒滴镔|(zhì)宇宙學(xué)模型可能存在問題?！蓖趸墼岢?。但問題究竟出在哪個層面，他一時沒有頭緒。一天，王慧元靈機一動，想到了自相互作用暗物質(zhì)理論模型。這一理論認為，暗物質(zhì)粒子之間不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(zhì)粒子之間會產(chǎn)生碰撞，然后彈開。借助該模型，團隊發(fā)現(xiàn)，在年老暗物質(zhì)暈中，暗物質(zhì)粒子之間有更多的時間進行碰撞，致使更多“熱量”注入暗物質(zhì)暈核心，使其結(jié)構(gòu)膨脹，削弱暗物質(zhì)暈核心區(qū)域的引力場強度。而引力一旦降低，物質(zhì)就會開始向外擴散，使得這些暗物質(zhì)暈更容易孕育彌散矮星系。相比之下，在年輕暗物質(zhì)暈中，這種效應(yīng)較弱，因此更容易形成致密矮星系?！斑@一發(fā)現(xiàn)至少提供了一個比較明顯的證據(jù)，說明在宇宙黑暗處流動的物質(zhì)可能不是大家傳統(tǒng)上認為的冷暗物質(zhì)，而是相互作用暗物質(zhì)。”王慧元說，這意味著標準冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)框架可能要做修正?！敖?，天文學(xué)領(lǐng)域又有一個全新數(shù)據(jù)開放，我們將會得到更豐富的研究樣本。原則上，我們可以根據(jù)星系的不同屬性，做更細致的研究?！蓖趸墼f，不放棄任何一個微小的異常觀測現(xiàn)象，可能會有新的收獲。相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08965-5（原載于《中國科學(xué)報》?2025-05-22?第1版?要聞）