科兹米克的银河系克隆体正在破译宇宙的暗代码

这项研究由宇宙学家维拉·格鲁斯切维奇（Vera Gluscevic）领导，她是南加州大学多恩西夫文理学院的副教授；合作者包括曾在南加州大学和卡内基天文台从事博士后研究、现为加州大学圣地亚哥分校助理教授的伊桑·纳德勒（Ethan Nadler）；以及卡内基天文台的科学家安德鲁·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放大模拟”（Cosmological Zoom-in Simulations with Initial Conditions beyond Cold Dark Matter）的缩写。

科学家们数十年前已知暗物质存在，但直至此刻，他们仍无法研究在暗物质与普通物质相互作用下，星系是如何诞生和演化的。该团队表示，COZMIC项目使这成为可能。

COZMIC的研发成果及相关发现发表于美国天文学会期刊《天体物理学杂志》6月16日刊载的三项系列研究中。

暗物质的核心

科学家确知暗物质真实存在，因为它影响着星系的运动与聚合方式。例如，星系旋转速度极快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；许多科学家认为这源于暗物质的核心作用——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运动体及结构的影响来研究它。然而，这类似于仅凭影子研究某人，却无法详细检查投下影子的真实个体。

在该系列研究中，团队创新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创建精细的宇宙学模拟，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，并探测它们与万物的相互作用机制，"格鲁斯切维奇表示，"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，并将这些定律与实际天文观测进行比对。"

除格鲁斯切维奇、纳德勒和本森外，COZMIC团队成员还包括加州大学河滨分校的于海波（Hai-Bo Yu）；曾任职于加州大学河滨分校、现就职于中科院紫金山天文台的杨丹蘅（Daneng Yang）；加州大学洛杉矶分校的杜晓龙（Xiaolong Du）；以及曾任职于南加州大学的安锐（Rui An）。

多重暗物质模型

"我们的模拟揭示，对最小星系的观测可用于区分暗物质模型，"纳德勒指出。

在COZMIC研究中，科学家考量了以下暗物质行为模型：

• 弹子球模型：首项研究中，每个暗物质粒子在宇宙早期与质子碰撞，犹如初始运动的弹子球。这种相互作用抹平了小尺度结构并清除了银河系的卫星星系。该研究还涵盖暗物质高速运动模型及由极低质量粒子构成的模型。
• 混合区模型：第二项研究的混合场景中，部分暗物质粒子与普通物质相互作用，其余则穿透而过。
• 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。

本森说明："运行这些模拟时，我们向超级计算机输入新物理定律，旨在生成能显现普通物质与暗物质相互作用特征星系结构的模拟结果。"

格鲁斯切维奇补充道："虽然先前诸多模拟研究探索了暗物质质量或自相互作用的影响，但迄今未有模拟涉及暗物质与普通物质的相互作用。此类相互作用并非奇异或不可信，事实上很可能真实存在。"

暗物质研究新纪元

团队称这是揭示暗物质本质的重大突破。他们期望通过将模拟的"孪生星系"与真实望远镜图像比对，更进一步解开宇宙最深奥的谜题之一。

"我们终于能问：'哪种宇宙版本最接近真实？'"格鲁斯切维奇说。

COZMIC团队计划利用望远镜数据直接检验模拟预测，以期在真实星系中发现暗物质行为的特征信号。

下一阶段研究或使科学家比以往任何时候都更接近理解暗物质的本质及其塑造宇宙的方式。