宇宙研究团队科兹米克的银河系复制品正在破译宇宙暗物质密码

该项研究由宇宙学家薇拉·格鲁斯切维奇（Vera Gluscevic）领导，她是南加州大学多恩西费文理学院副教授；共同领导者包括伊桑·纳德勒（Ethan Nadler）——他曾在南加州大学和卡内基天文台担任博士后研究员，现为加州大学圣地亚哥分校助理教授；以及卡内基天文台科学家安德鲁·本森（Andrew Benson）。

他们将模拟项目命名为"COZMIC"——这是"超越冷暗物质初始条件的宇宙学精细化模拟"（Cosmological Zoom-in Simulations with Initial Conditions beyond Cold Dark Matter）的缩写。

科学家们数十年前已确认暗物质存在，但直到现在，他们仍无法研究在暗物质与常规物质相互作用的宇宙中星系如何诞生与演化。研究团队表示，COZMIC项目首次实现了这一突破。

COZMIC的开发成果及团队研究发现于6月16日在美国天文学会期刊《天体物理学杂志》上以三部曲形式发表。

暗物质的核心

科学家确认暗物质真实存在，因其影响星系的运动与聚集方式。例如，星系自转速度本应导致其分崩离析，但实际并未发生。某种不可见的力量维系着它们；许多科学家认为暗物质是这一现象的核心——该理论最初由瑞士研究员弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）于1933年提出，此后暗物质研究持续发展。

暗物质研究极具挑战性，因其不发射任何易于探测的光或能量。科学家通过观测暗物质对星系等天体运动和结构的影响进行研究。然而，这类似于仅研究某人的影子而无法详细检视投射影子的实体。

在这系列研究中，团队突破性地引入新物理学原理——不仅限于标准粒子物理学和相对论——并编程超级计算机通过COZMIC生成高度精细的宇宙学模拟，以验证关于暗物质行为的多种理论。

"我们旨在测量这些粒子的质量及其他量子特性，并探究它们如何与万物相互作用，"格鲁斯切维奇表示，"通过COZMIC，我们首次能够在截然不同的物理定律下模拟类似银河系的星系，并将这些定律与真实天文观测进行比对。"

除格鲁斯切维奇、纳德勒和本森外，COZMIC团队核心成员包括加州大学河滨分校的余海波（Hai-Bo Yu）；前加州大学河滨分校成员、现任中科院紫金山天文台研究员的杨丹韺（Daneng Yang）；加州大学洛杉矶分校的杜晓龙（Xiaolong Du）；以及前南加州大学成员安锐（Rui An）。

多元暗物质情景

"我们的模拟揭示，对最小星系的观测可用于区分不同暗物质模型，"纳德勒指出。

在COZMIC研究中，科学家考量了以下暗物质行为情景：

• 台球模型：在第一项研究中，宇宙早期每个暗物质粒子都与质子碰撞，如同台球初始运动时的相互作用。这种作用平滑了小尺度结构，并消除了银河系的卫星星系。研究同时包含暗物质高速运动情景，以及由极低质量粒子构成的暗物质模型。
• 混合区模型：第二项研究采用混合情景，部分暗物质粒子与常规物质相互作用，其余粒子则穿透而过。
• 自相互作用模型：第三项研究中，科学家模拟了暗物质在宇宙诞生之初直至今日始终存在自相互作用的情景，该作用改变了整个宇宙历史上的星系形成过程。

本森说明："运行这些模拟时，我们向超级计算机输入新物理参数，生成具有常规物质与暗物质相互作用特征结构的星系。"

格鲁斯切维奇补充道："尽管先前许多模拟套件探索过暗物质质量或自相互作用的影响，但迄今为止，未有研究模拟暗物质与常规物质的相互作用。这类相互作用并非奇异或不可信，事实上极有可能存在。"

暗物质研究新纪元

研究团队表示，这是在破解暗物质本质道路上迈出的重大一步。他们期望通过将模拟生成的孪生星系与真实望远镜图像对比，从而更接近解开宇宙最大谜团之一。

"我们终于能提出：'哪个版本的宇宙最接近真实？'"格鲁斯切维奇说道。

COZMIC团队计划通过望远镜数据直接检验模拟预测，从而拓展研究范围，以期在真实星系中发现暗物质行为的特征信号。

下一阶段研究可能使科学家前所未有地接近理解暗物质本质及其塑造宇宙的机制。