科兹米克的银河克隆体正在破解宇宙的暗黑密码

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学、艺术与科学学院的副教授；团队成员还包括伊桑·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；以及安德鲁·本森（Andrew Benson），他是卡内基天文台的专职科学家。

他们将模拟项目命名为“COZMIC”——“超越冷暗物质的初始条件宇宙学放大模拟”（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。该团队表示，COZMIC项目使之成为可能。

COZMIC的开发及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）上的三项系列研究中，该期刊由美国天文学会出版。

暗物质的核心

科学家们确信暗物质真实存在，因为它影响着星系的运动方式和聚合力。例如，星系的自转速度极快本应导致其分崩离析，但事实并非如此。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——该观点最早由瑞士研究员弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）于1933年提出。此后，暗物质研究不断发展。

研究暗物质颇具挑战性，因为它不发射任何易于探测的光或能量。科学家通过观察暗物质如何影响星系等天体的运动与结构来研究它。然而，这类似于研究某人的影子却无法详细检查投射影子的真实个体。

在这系列研究中，团队采取了新举措：部署新物理学原理（不仅仅是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理论。

格鲁斯切维奇表示：“我们旨在测量这些粒子的质量及其他量子特性，并探测它们与其余万物的相互作用方式。借助COZMIC，我们首次能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验证。”

除格鲁斯切维奇、纳德勒和本森外，参与COZMIC项目的团队成员还包括加州大学河滨分校的余海波（Hai-Bo Yu）；杨丹蘅（Daneng Yang，原加州大学河滨分校，现任职于中国科学院紫金山天文台）；加州大学洛杉矶分校的杜晓龙（Xiaolong Du）；以及安锐（Rui An，原南加州大学）。

多种暗物质模型

纳德勒指出：“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。”

在利用COZMIC进行的研究中，科学家考虑了以下暗物质行为模型：

• 台球碰撞模型：在第一项研究中，每个暗物质粒子在宇宙早期与质子碰撞，如同台球初始运动时的相互作用。这种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以及由极低质量粒子构成的模型。
• 混合区域模型：第二项研究采用混合模型，其中部分暗物质粒子与普通物质相互作用，而其余粒子则穿透普通物质。
• 自体相互作用模型：在第三项研究中，科学家模拟了暗物质在宇宙诞生之初及现今均与自身相互作用的场景，这种作用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，科学家向超级计算机输入新物理学原理，以生成具有普通物质与暗物质相互作用特征印记的星系结构。

格鲁斯切维奇补充道：“尽管先前众多模拟研究已探索过暗物质质量或自体相互作用的影响，但至今尚无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，实际上很可能存在。”

暗物质研究的新纪元

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的孪生星系与真实望远镜图像对比，能更接近解开宇宙最大谜团之一。

格鲁斯切维奇称：“我们终于能提出关键问题：‘哪种宇宙模型最贴近我们的真实宇宙？’”

COZMIC团队计划利用望远镜数据直接检验其模拟预测，从而在真实星系中发现暗物质行为的特征印记，以此拓展研究工作。

下一阶段可能让科学家前所未有地接近理解暗物质的本质及其塑造宇宙的方式。