Cozmic的银河克隆体正在破解宇宙暗黑密码

该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夫文理学院副教授；以及伊桑·纳德勒（Ethan Nadler）——他此前是南加州大学和卡内基天文台的博士后，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）——卡内基天文台专聘科学家。

他们将其模拟项目命名为"COZMIC"——全称为"冷暗物质之外初始条件的宇宙学放大模拟"（Cosmological Zoom-in Simulations with Initial Conditions beyond Cold Dark Matter）。

科学家早在数十年前就已知晓暗物质的存在——但在此之前，他们无法研究在暗物质与普通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首次实现了这种研究的可能性。

COZMIC的研发及团队成果详述于三篇系列研究中，这些研究于6月16日发表于美国天文学会期刊《天体物理学杂志》。

暗物质的核心

科学家确信暗物质真实存在，因其影响着星系的运动与聚集方式。例如，星系的自转速度本应导致其分崩离析，但实际并未发生。某种不可见物质维系着它们；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。此后关于暗物质的研究持续演进。

暗物质的研究极具挑战性，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与结构的影响来研究它。然而这如同研究他人身影却无法细致审视投射身影的本体。

在此系列研究中，团队采用新物理理论——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创建高精度宇宙学模拟，以检验关于暗物质行为的不同理论。

"我们希望测量这些粒子的质量及其他量子特性，并探测它们与万物相互作用的方式，"格鲁斯切维奇表示，"借助COZMIC，我们首次能在截然不同的物理定律下模拟银河系等星系，并将这些定律与真实天文观测进行验证。"

除格鲁斯切维奇、纳德勒与本森外，COZMIC团队成员还包括加州大学河滨分校的俞海波（Hai-Bo Yu）；加州大学河滨分校前成员、现任职于中科院紫金山天文台的杨丹旎（Daneng Yang）；加州大学洛杉矶分校的杜晓龙（Xiaolong Du）；以及南加州大学前成员安然（Rui An）。

多元暗物质情境

"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情境：

• 台球式粒子模型：在第一项研究中，每个暗物质粒子在宇宙早期与质子碰撞，犹如台球初始运动状态。这种相互作用抹平了小尺度结构，并消除了银河系的卫星星系。该研究还包含暗物质高速运动情境，以及由极低质量粒子构成的暗物质情境。
• 混合区模型：第二项研究采用混合情境——部分暗物质粒子与普通物质相互作用，其余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诞生之初及当下均发生自相互作用的场景，从而改变了整个宇宙历史中的星系形成过程。

本森表示，运行这些模拟时，科学家向超级计算机输入新物理理论，生成具有暗物质与普通物质相互作用特征印记的星系结构。

格鲁斯切维奇补充道："虽然先前诸多模拟套件已探索暗物质质量或自相互作用的影响，但迄今为止尚未有研究模拟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，实际上极有可能存在。"

暗物质研究新纪元

团队称这是在破解暗物质本质道路上迈出的重大步伐。他们期望通过将模拟星系与真实望远镜图像对比，更接近破解宇宙最大谜题之一。

"我们终于能提出：'哪个版本的宇宙最接近真实世界？'"格鲁斯切维奇说道。

COZMIC团队计划拓展研究工作，利用望远镜数据直接检验模拟预测结果，以期在真实星系中发现暗物质行为特征。

下一阶段研究可能使科学家比以往任何时候都更接近理解暗物质本质及其塑造宇宙的机制。