暗物質可視化（最新計算機模擬帶你）

2023-10-07 23:34:49 1

我們該如何研究一個看不見的東西？這是研究暗物質的天文學家所面臨的挑戰。儘管暗物質佔宇宙總物質的85％，但因為它與光不會相互作用，我們只能通過暗物質對光和其他物質的引力影響才能發現它。事實上，直到現在科學家都一直沒能成功直接檢測到地球上暗物質。

儘管暗物質的質量難以估量，但我們對暗物質並非一無所知。我們知道，它黑暗且寒冷，但凝聚在一起時會成為星系團的溫床，還會經常在星系周圍形成暈圈，成為整個星系中質量最大的物質。然而仍存在一些暗物質的謎團等待我們解開。為此，天文學家經常開發新的暗物質模型，並將其與觀測結果進行比較以測試其準確性。

複雜的計算機模擬是我們了解暗物質的一種方式。最近，一個由國家天文臺王傑研究員及來自其他國家的科學家組成的科研小組對暗物質宇宙進行了詳盡的模擬，並得出了一些令人驚訝的結果。

南極洲的IceCube中微子探測器已經開始搜尋WIMPs

Credit: IceCube Collaboration/NSF

要知道，任何暗物質宇宙模擬的準確性都取決於模擬對暗物質所做的假設。在這裡，研究小組假設暗物質由質量約為質子100倍的弱相互作用大質量粒子（WIMP）組成。WIMP是較流行的暗物質理論之一。儘管以前已經有科學家完成過類似的WIMP暗物質計算機模擬，但像此次可以模擬30個數量級範圍內的特徵的高解析度模擬仍是非常前沿的。

不同模擬尺度下的暗物質密度圖

Credit: Nature

在此模擬中，正如我們觀察到的那樣，暗物質形成於星系周圍的暈中。但有趣的是，模擬發現暈還具有質量尺度上的普遍性。從小的行星狀暈到銀河暈，再到圍繞星系簇形成的巨大暈，這些光環都具有相似的結構：它們在中心處最密集，在邊緣處更加分散。這種在各個尺度都會發生的現象成為了暗物質的顯著特徵。

模擬顯示了在不同尺度下都能發現暗物質暈

Credit: J. Wang; S. Bose/Center for Astrophysics

有些暈因為質量實在太小，我們無法通過它們對光的引力影響來發現它們，但這些暈可以告訴我們暗物質是如何與自身相互作用的。有一種關於暗物質的猜想是，當暗物質粒子碰撞時，它們會發出伽馬射線。一些伽馬射線的觀測結果已經暗示了來自銀河系中心過量的伽馬射線可能是由暗物質引起的。

在本文提到的模型中，暗物質產生的大多數伽馬輻射都來自於規模較小的暈。由於暈的規模會影響伽馬射線的能譜，該模型對銀河系及其他星系中我們能多看到的伽馬射線做出了具體的預測。

直到科技發達的今天，暗物質仍然是現代天文學中最大的謎團之一。儘管我們希望能直接檢測到它，但在技術條件達到之前，計算機模擬是一種能幫助我們更好了解暗物質的理想方式。