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中國科學技術(shù)大學教授王慧元研究團隊首次在觀測中發(fā)現(xiàn)彌散矮星系超強的成團性，證實了宇宙中神秘的“暗物質(zhì)暈集聚偏置”（halo assembly bias）現(xiàn)象。這項研究為探討暗物質(zhì)本質(zhì)、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與星系協(xié)同演化提供了重要線索。

暗物質(zhì)是一種看不見、不發(fā)光的神秘物質(zhì)，它通過引力悄然塑造著宇宙結(jié)構(gòu)，主導著星系的形成與演化。暗物質(zhì)粒子在引力作用下聚集，形成暗物質(zhì)暈（暗暈），星系在暗暈的引力勢阱中形成并演化。暗暈在宇宙大尺度上的分布并不均勻，而是呈現(xiàn)“抱團”分布。這種“抱團”性不僅與質(zhì)量相關(guān)，也在固定質(zhì)量下與形成時間、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等多重變量呈現(xiàn)統(tǒng)計相關(guān)性。這種現(xiàn)象被稱為“暗暈集聚偏置”，為理解宇宙大尺度結(jié)構(gòu)及星系的形成提供了關(guān)鍵線索。

該團隊分析斯隆數(shù)字巡天項目光學數(shù)據(jù)時有了超乎預期的發(fā)現(xiàn)。科研人員聚焦矮星系——這類質(zhì)量小、光度低、通常由暗物質(zhì)主導的星系群體時，發(fā)現(xiàn)彌散的矮星系更喜歡“抱團”（成團性較高），而致密矮星系更喜歡“單干”（成團性較低）。這與以往根據(jù)大質(zhì)量星系樣本所得的經(jīng)驗完全相反，通常面密度越高的星系更喜歡聚集在一起。

盡管宇宙結(jié)構(gòu)形成理論早已預言“暗暈集聚偏置”現(xiàn)象，但長期以來并未在觀測中發(fā)現(xiàn)確鑿證據(jù)。此次發(fā)現(xiàn)首次為這一預言提供了高置信度的觀測支持。

同時，王慧元團隊發(fā)展了宇宙學模擬方法——ELUCID數(shù)值模擬重構(gòu)技術(shù)，能夠精確再現(xiàn)真實宇宙中暗暈分布及其演化歷史。團隊利用該技術(shù)，進一步解釋了上述現(xiàn)象。團隊發(fā)現(xiàn)，年老的暗暈在宇宙中的空間分布與彌散矮星系類似，也更喜歡“抱團”。這表明，矮星系的形成與暗暈的“年齡”之間有著緊密聯(lián)系。

標準冷暗物質(zhì)模型是當前解釋宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的主流理論框架，但在該框架下，團隊論證了多種星系形成的物理機制，發(fā)現(xiàn)均無法解釋這一新的發(fā)現(xiàn)。進一步，研究發(fā)現(xiàn)一種考慮暗物質(zhì)自相互作用的替代模型即SIDM可以很好地解釋暗暈的“年齡”以及與星系密度的關(guān)聯(lián)。在年老暗暈中，暗物質(zhì)自相互作用的時間相對長，過程中產(chǎn)生的“熱量”注入暗暈核心，使其核心結(jié)構(gòu)膨脹，進而顯著削弱暗暈中心引力勢阱，促使星系密度降低。這表明，SIDM模型在解釋矮星系的形成機制及其在大尺度上的成團分布特征具有理論優(yōu)勢，對目前主流的星系形成模型及冷暗物質(zhì)宇宙學模型提出了挑戰(zhàn)。

上述研究挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的星系形成模型，并為理解暗物質(zhì)本質(zhì)提供了新線索。

5月21日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上?！蹲匀弧穼徃迦苏J為該成果是“一個原創(chuàng)且非常讓人驚訝（因此有重要意義）的觀測結(jié)果”“通過星系成團性測試暗物質(zhì)自相互作用是一個嶄新的嘗試，可能具有持續(xù)的影響”。

未來，中國科大和紫金山天文臺聯(lián)合建設的地面大視場巡天望遠鏡（墨子），有望擴大研究樣本，以對彌散矮星系的“集聚偏置”及暗物質(zhì)性質(zhì)展開進一步研究。

論文鏈接

融合水墨藝術(shù)與科學可視化手法，表現(xiàn)宇宙大尺度暗物質(zhì)分布。水珠中呈現(xiàn)不同環(huán)境下的矮星系圖像，展示了宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與小尺度星系形成之間的復雜關(guān)聯(lián)。