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Nature | 不再神秘？中科院领衔国际团队「放大」宇宙，首次看到暗物质高清图！

百家 作者：新智元 2020-09-06 13:11:18


  新智元报道  

来源：eurekalert
编辑：小匀
【新智元导读】暗物质究竟什么样？在最近发表在《自然》上的研究结果中，中科院国家天文台的研究员王杰领衔的国际研究团队，利用中国和欧洲的超级计算机，通过一种全新的技术，在当前标准宇宙学模型下，首度获得了宇宙暗晕中全尺度暗物质晕内部结构的清晰图像。

暗物质是宇宙中最神秘的物质，因为它看不见摸不着，但在最近发布在《自然》上的一篇研究中，科学家终于让暗物质「显形」了。


此项研究由中科院国家天文台研究员王杰领衔的国际研究团队发现，这是暗物质领域极为重要的突破。
 
早在很久以前，天文学家就推测，宇宙中存在看不见的暗物质，它们为星系能聚在一起提供了引力，并围绕在星系外围，形成暗物质晕（简称暗晕）。
 

这次研究得到了暗晕内部结构的清晰图像。
  

突破口：想研究小暗晕只能通过模拟宇宙演化


宇宙中最大质量的暗晕是包含数百个亮星系的星系团，质量大约是太阳的百万亿倍。但因为恒星和星系只能在比太阳重百万倍的暗晕里形成，所以对于那些小暗晕来说，它们一直保持着「黑暗」。尽管它们数量极多，人类却对其知之甚少。


根据目前流行暗物质属性模型推测，宇宙中最小的暗晕质量可能和地球相当。

「要想研究小暗晕，只能在大型超级计算机中模拟宇宙的演化。」王杰教授说。


放大、放大、放大，就像在月球图片上找跳骚！

 
我们都知道，如果把照片不断放大，它就会越来越不清晰。

为了在整个宇宙的背景框架下研究只有太阳系大小暗晕的内部结构，国际团队利用中国和欧洲的超级计算机，通过开发一种全新的技术，运行一系列超级放大宇宙模拟，质量放大倍数跨越30个数量级(即100万亿亿亿倍)。

完成这一超级放大模拟的机器，分别是中国天河2号：


 英国COSMA：


和德国的Freya超级计算机：


这个过程历时5年，终于，在当前标准宇宙学模型下，研究团队获得了暗晕的「模样」。

这张照片展示了主模拟的一个侧面，这个侧面有超过20亿光年。这两幅插图连续放大到了70万光年的区域，而每一边只有600光年。主图像中最大的团块对应着星系团，而第二次图像中最小的团块在与地球质量相似

在宇宙中一个典型区域进行的这一超级放大模拟，需要利用8个「放大镜」接力去放大。其放大程度相当于在一张月球表面的图片找到上面的一只跳蚤。
 
如何逐次去配置每一个新的「放大镜」，使新获得的图像和原来的一样精确清晰，这就对模拟原初条件的精度和程序的精确度和可靠度提出巨大的挑战。
 
「这一挑战是我们整个领域都从未遇到过的，也是我们从业以来所遇到的最艰难的一次」，研究人员说。

功臣之一：中国天河二号

这次研究所用到的「天河二号」是一个「超级武器」。


2017年，天河二号成功进行了3万亿粒子数中微子和暗物质的宇宙学N体数值模拟，揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化进程。当时，这是迄今为止世界上粒子数最多的N体数值模拟。

当年，全球超级计算机500强榜单在美国公布，天河二号超级计算机以每秒33．86千万亿次连续第六度称雄。

所有质量的暗晕内部结构极为相似

王杰等研究人员发现，似乎所有暗晕的内部结构都大同小异——中心致密，往外逐渐稀疏，而大量的更小的暗物质团块在其相对较外的空间环绕。
 
所以，如果不知道比例尺，在图像上根本区分不了一个巨大的星系团暗晕和一个只有地球质量大小的「小小暗晕」。

这个研究的突破性在于，知道了小质量暗晕的内部结构，以后天文学家们就方便用各种去探测它们了，比如引力透镜，动力学和伽玛辐射爆的监测。

根据目前的一些理论推测，大量的暗物质粒子会在致密的暗晕中心相互碰撞，从而湮灭产生伽马辐射爆。


宇宙中约85%的物质成分是暗物质，其物质属性与组成恒星、行星以及我们人类世界的普通物质截然不同。这些暗物质受引力影响而塌缩，形成的结构体被称为暗晕。普通物质的气体通过冷却，聚集于暗晕中心，从而形成璀璨的恒星、星系以及整个光明的世界。

了解宇宙未知的一面，一直是天文学家努力的方向。暗物质的面纱一经过揭开，我们就会顺着这条路通向更远的星辰大海。

据了解，实现暗物质研究重要突破的这一超级模拟，是在中国天河2、英国COSMA、德国Freya等超级计算机上完成，研究论文作者包括中、英、德、美四国7位科学家。

相关研究成果9月2日在线发表于《自然》杂志上。

参考链接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/caos-zio090120.php
https://tech.sina.com.cn/d/2020-09-03/doc-iivhuipp2253813.shtml
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1676778377384993011&wfr=spider&for=pc

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