科兹密克的银河系克隆体正在破解宇宙的黑暗密码

这项研究由宇宙学家维拉·格鲁塞维奇（Vera Gluscevic）领导，她是南加州大学多恩西夫文理学院副教授；以及伊桑·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；还有安德鲁·本森（Andrew Benson），卡内基天文台的科学家。

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

科学家们几十年前就已知道暗物质的存在——但直到现在，他们仍无法研究在暗物质与普通物质相互作用的宇宙中星系是如何诞生和演化的。研究团队表示，COZMIC使这一切成为可能。

COZMIC的开发和团队的研究成果发表于6月16日刊登在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上的三项研究中，该期刊由美国天文学会出版。

暗物质的核心

科学家知道暗物质真实存在，因为它影响着星系的运动和聚集方式。例如，星系自转速度极快，本应分崩离析，但事实并非如此。某种不可见的力量将它们维系在一起；许多科学家认为暗物质是这一现象的核心——这一观点最早由瑞士研究员弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）于1933年提出。自此，暗物质研究不断发展。

暗物质难以研究，因为它不发射任何可轻易探测的光或能量。科学家通过观测暗物质如何影响星系等天体的运动和结构来研究它。然而，这有点像研究一个人的影子，却无法详细检查投下影子的真实个体。

在这一系列研究中，研究团队采取了部署新物理学的举措——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创建极其精细的宇宙学模拟，以测试关于暗物质可能行为的各种设想。

“我们希望测量这些粒子的质量及其他量子特性，并测量它们如何与一切其他物质相互作用，”格鲁塞维奇说。“借助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——并根据实际天文观测检验这些定律。”

除格鲁塞维奇、纳德勒和本森外，COZMIC团队还包括加州大学河滨分校的於海波（Hai-Bo Yu）；杨旦蘅（Daneng Yang），他曾在加州大学河滨分校工作，现就职于中国科学院紫金山天文台；加州大学洛杉矶分校的杜小龙（Xiaolong Du）；以及安锐（Rui An），他此前在南加州大学工作。

多种暗物质场景

“我们的模拟揭示，对最小星系的观测可用于区分不同的暗物质模型，”纳德勒说。

在利用COZMIC进行的研究中，科学家考虑了以下暗物质行为场景：

• 台球模型：在第一项研究中，每个暗物质粒子在宇宙早期都会与质子碰撞，如同台球初次运动时的情形。这种相互作用平滑了小尺度结构，并消除了银河系中的卫星星系。该研究还包括暗物质高速运动的场景，以及由极低质量粒子构成的场景。
• 混合区模型：第二项研究是一种混合场景，部分暗物质粒子与普通物质相互作用，而其他粒子则穿透普通物质。
• 自相互作用模型：在第三项研究中，科学家模拟了暗物质在宇宙黎明时期及现今均与自身相互作用的场景，从而改变了整个宇宙历史中的星系形成过程。

本森表示，在运行这些模拟时，科学家将新物理学输入超级计算机，生成了一个结构带有普通物质与暗物质相互作用印记的星系。

格鲁塞维奇补充道：“虽然以往许多模拟套件探索了暗物质质量或自相互作用的影响，但迄今为止，没有模拟涉及暗物质与普通物质的相互作用。此类相互作用并不奇特或难以置信。事实上，它们很可能存在。”

暗物质研究的新时代

团队表示，这是在揭示暗物质本质道路上迈出的重要一步。他们希望通过将模拟生成的孪生星系与真实望远镜图像进行比对，能更接近解开宇宙最大的谜团之一。

“我们终于能提出：‘哪个版本的宇宙最像我们的宇宙？’”格鲁塞维奇说。

COZMIC团队计划通过望远镜数据直接检验其模拟预测来扩展工作，以期在真实星系中发现暗物质行为的特征信号。

下一阶段可能让科学家比以往任何时候都更接近理解暗物质的本质及其如何塑造宇宙。