来自中国科学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，采用一项全新的多重放大模拟技术，在当前标准宇宙学模型下，首次获得了宇宙中全尺度暗物质晕（以下称暗晕）内部结构的清晰图像。
这一重要发现，已于北京时间2020年9月3日凌晨由国际顶级学术期刊《自然》发表。
（图为艺术家对宇宙中具有不同质量的暗晕的想象图。喻京川绘制）
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。据王杰介绍，宇宙中最大质量的暗晕，是包含数百个亮星系的巨型星系团，其质量大约是太阳的百万亿倍，它们的属性已经被天文学家广泛研究。相比之下，那些小质量的暗晕，它们在整个宇宙演化历史里一直保持“黑暗”。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。” 论文作者之一、中国科学院国家天文台研究员高亮说，“因为它们的‘黑暗’，我们只能依赖超级计算机，通过模拟宇宙的演化来研究这些黑暗的超微暗晕。为了在整个宇宙的背景框架下研究只有太阳系大小的暗晕的内部结构，我们开发了一种全新的技术。”
来自中国、德国、英国和美国的国际研究团队耗时5年，借助超级计算机开发、测试模拟程序，并运行了一系列超级放大宇宙模拟，成功将小质量暗晕的质量放大倍数跨越30个数量级，即一百万亿亿亿倍。
“在宇宙一个典型区域，进行这一超级放大模拟，需要利用八个‘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。”王杰的合作团队打了这样一个比方。他说，如何逐次去配置每一个新的“放大镜”，让新获得的图像和原来的一样精确清晰，对科研团队提出了巨大的挑战。这一挑战是他们从未遇到过的，也是他们从业以来所遇到的“最艰难的一次”。
（图为超级放大宇宙模拟里暗物质密度分布示意图：图中展示的是其中的两次放大过程。背景图片里宇宙网格里的节点则是质量为太阳质量的星系团，而左下角里第二张放大的图里最小的结构体则为太阳质量的地球大小的暗晕，其质量跨越20个等级。）
这些超级放大的模拟，让研究人员得以可靠并详尽地研究从地球到超级星系团质量暗晕的形成、演化以及内部结构。“人们一直猜测那些小的暗晕应该和我们熟悉的超大暗晕内部结构不一样，但令人惊叹的是，我们发现所有质量的暗晕竟然均具有极为相似的内部结构，即中心致密，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。”王杰说，如果不知道比例尺，在图像上几乎很难区分一个巨大的星系团暗晕和一个只有地球质量大小的超微暗晕。
这些新获得的对小质量暗晕内部结构的认识，将让天文学家可以利用各种工具去探测它们，比如引力透镜，动力学和伽马辐射暴的监测。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暴。
“我们的结果预测，很大一部分辐射来自那些因为太小而不能形成恒星的超微暗晕。”王杰合作团队认为，“未来的伽马射线观测极可能捕捉到这些辐射信号， 从而让我们一窥这些宇宙中的‘超级小矮人’的‘真容’。这将帮助我们验证关于暗物质本质的假设——暗物质可能并不是我们想象的‘完全’是黑暗的。”（原题为《重磅！科学家耗时5年成功“绘制”暗晕内部结构清晰图》）
