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5月21日晚，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)又傳來好消息：該校王慧元教授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”現(xiàn)象。這項研究為理解暗物質(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。當(dāng)晚，成果正式發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。
【圖為融合水墨藝術(shù)與科學(xué)可視化手法，表現(xiàn)宇宙大尺度暗物質(zhì)分布。由中國科大提供】
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的結(jié)構(gòu)，主導(dǎo)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，它為我們理解宇宙大尺度結(jié)構(gòu)及星系的形成提供了關(guān)鍵線索。
中國科大研究團隊分析斯隆數(shù)字巡天項目(SDSS)光學(xué)數(shù)據(jù)時，有了超乎預(yù)期的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)他們將目光聚焦在矮星系——這類質(zhì)量小、光度低、通常由暗物質(zhì)主導(dǎo)的星系群體上時，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。”王慧元團隊很快意識到，這可能是一個非常罕見和珍貴的發(fā)現(xiàn)。
盡管宇宙結(jié)構(gòu)形成理論早已預(yù)言了“暗暈集聚偏置”現(xiàn)象的存在，但長期以來并未從觀測中發(fā)現(xiàn)確鑿的證據(jù)支持。此次研究團隊的發(fā)現(xiàn)，首次為這一預(yù)言提供了高置信度的觀測支持。
王慧元團隊還獨立發(fā)展了一種宇宙學(xué)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。利用該技術(shù)，他們進一步解釋了上述現(xiàn)象。研究發(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。
《自然》雜志審稿人稱贊該成果是“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)自相互作用是一個嶄新的嘗試，可能具有持續(xù)的影響”。
王慧元介紹，此次研究不僅挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的星系形成模型，還為理解暗物質(zhì)本質(zhì)提供了新線索。天文學(xué)家距離揭開暗物質(zhì)的神秘面紗又近了一步。未來通過中國科大及紫臺聯(lián)合建設(shè)的地面大視場巡天望遠鏡墨子有望擴大研究樣本，進一步對彌散矮星系的“集聚偏置”及暗物質(zhì)性質(zhì)展開研究。 （安徽商報 元新聞記者 胡霈霖）