中国科大证实暗物质晕“年龄”塑造矮星系空间分布

中安在线、中安新闻客户端讯 记者5月21日从中国科大获悉，中国科学技术大学王慧元教授研究团队首次在观测中发现弥散矮星系超强的成团性，证实了宇宙中神秘的“暗物质晕集聚偏置（halo assembly bias）”现象。这项研究为理解暗物质本质、宇宙大尺度结构与星系协同演化提供了重要线索。北京时间5月21日，该项成果正式发表在国际学术期刊《自然》。

暗物质是一种看不见、不发光的神秘物质，它通过引力悄然塑造着宇宙的结构，主导着星系的形成与演化。暗物质粒子在引力作用下聚集，形成暗物质晕（暗晕），星系在暗晕的引力势阱中形成并演化。暗晕在宇宙大尺度上的分布并不均匀，而是呈现“抱团”分布。这种“抱团”性不仅与质量相关，也在固定质量下与形成时间、内部结构等多重变量呈现统计相关性。这种现象被称为暗晕集聚偏置，它为我们理解宇宙大尺度结构及星系的形成提供了关键线索。

研究团队分析斯隆数字巡天项目(SDSS)光学数据时，有了超乎预期的发现。当他们将目光聚焦在矮星系——这类质量小、光度低、通常由暗物质主导的星系群体上时，发现弥散的矮星系更喜欢“抱团”（成团性较高），而致密矮星系更喜欢“单干”（成团性较低）。“这与以往根据大质量星系样本所得的经验完全相反，通常面密度越高的星系更喜欢聚集在一起。”王慧元团队很快意识到，这可能是一个非常罕见和珍贵的发现。

尽管宇宙结构形成理论早已预言了“暗晕集聚偏置”现象的存在，但长期以来并未从观测中发现确凿的证据支持。此次研究团队的发现，首次为这一预言提供了高置信度的观测支持。

王慧元团队还独立发展了一种宇宙学模拟方法——ELUCID数值模拟重构技术，能够精确再现真实宇宙中暗晕分布及其演化历史。利用该技术，他们进一步解释了上述现象。研究发现，年老的暗晕在宇宙中的空间分布与弥散矮星系类似，也更喜欢“抱团”。这表明，矮星系的形成与暗晕的“年龄”之间有着紧密联系。

虽然标准冷暗物质模型（CDM）是当前解释宇宙大尺度结构形成的主流理论框架，然而在该框架下，研究团队论证了多种星系形成的物理机制，发现均无法有效解释这一新的发现。研究团队进一步发现一种考虑暗物质自相互作用的替代模型（SIDM），可以很好地解释暗晕的“年龄”和星系密度的关联。在年老暗晕中，暗物质自相互作用的时间相对长，过程中产生的“热量”注入暗晕核心，使其核心结构膨胀，进而显著削弱暗晕中心引力势阱，促使星系密度降低。“我们的工作表明，SIDM模型在解释矮星系的形成机制及其在大尺度上的成团分布特征具有独特的理论优势，这对目前主流的星系形成模型及冷暗物质宇宙学模型均提出了严峻的挑战。”王慧元说。

王慧元介绍，此次研究不仅挑战了现有的星系形成模型，还为理解暗物质本质提供了新线索。天文学家距离揭开暗物质的神秘面纱又近了一步。未来通过中国科大及紫台联合建设的地面大视场巡天望远镜墨子（The Wide Field Survey Telescope）有望扩大研究样本，进一步对弥散矮星系的“集聚偏置”及暗物质性质展开研究。

《自然》杂志审稿人称赞该成果是“一个原创且非常让人惊讶（因此有重要意义）的观测结果”(This is an original and very surprising (and thus significant) result)，“通过星系成团性测试暗物质自相互作用是一个崭新的尝试，可能具有持续的影响”（Testing predictions of dark matter self-interactions through galaxy clustering is a novel approach and could have a lasting impact）。

（记者 汪乔）