科兹米克项目的银河系克隆体正在破解宇宙的暗码

此项研究由宇宙学家薇拉·格鲁塞维奇（Vera Gluscevic）领衔，她是南加州大学多恩西夫文理学院副教授；合作者包括前南加州大学及卡内基天文台博士后、现加州大学圣地亚哥分校助理教授伊桑·纳德勒（Ethan Nadler）；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"，该名称是"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。

科学家们数十年前便知晓暗物质的存在，但直至今日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项目使之成为可能。

关于COZMIC的开发成果及团队研究发现，已通过三项系列研究于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

科学家确认暗物质真实存在，因其影响着星系的运动与聚合方式。例如，星系自转速度极快本应分崩离析却保持完整，某种不可见之力维系着它们。许多科学家认为瑞士研究员弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）于1933年首次提出的观点——暗物质是此现象的核心——自那时起暗物质研究不断发展。

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如何影响星系等天体的运动与结构进行研究，但这类似于仅能研究人影而无法详察投射影子的人体本身。

在本系列研究中，团队采用了部署新物理机制的突破性方法——不仅限于标准粒子物理和相对论——通过编程超级计算机运行COZMIC生成精细化宇宙学模拟，以检验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，并量化它们与万物的相互作用方式，"格鲁塞维奇解释道，"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，并将这些定律与真实天文观测进行比对验证。"

除格鲁塞维奇、纳德勒与本森外，COZMIC团队核心成员还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、现中国科学院紫金山天文台杨丹蘅（Daneng Yang）；加州大学洛杉矶分校杜晓龙（Xiaolong Du）；以及前南加州大学安锐（Rui An）。

多重暗物质模型

"我们的模拟表明，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模型：

• 台球模型：首项研究中，每个暗物质粒子在宇宙早期与质子碰撞，其作用机理如同台球启动时的撞击。这种相互作用抹平了小尺度结构并消除了银河系内的卫星星系。该研究还包含暗物质高速运动模型及由超轻粒子构成的模型。
• 混合区模型：第二项研究的混合场景中，部分暗物质粒子与常规物质相互作用，其余粒子则穿越而过。
• 自作用模型：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发生自我相互作用的场景，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，我们向超级计算机输入新物理定律，最终生成的星系结构将携带常规物质与暗物质相互作用的特征印记。"

格鲁塞维奇补充道："虽然既往众多模拟研究已探索暗物质质量或自作用效应，但迄今尚未有研究模拟暗物质与常规物质的相互作用。此类相互作用并非奇异或不可信，实际上其存在的可能性极高。"

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生成的孪生星系与真实望远镜图像对比，能更接近破解宇宙最大谜题之一。

"我们终于能提出关键问题：'哪种宇宙版本最接近现实？'"格鲁塞维奇表示。

COZMIC团队计划将其模拟预测结果与望远镜数据直接比对，从而拓展研究维度，以期在真实星系中发现暗物质行为的特征信号。

下一阶段研究或将使科学家空前接近理解暗物质本质及其塑造宇宙的机制。