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，它们的物质属性和组成跟人类世界的普通物质截然不同。这些暗物质受引力塌缩，形成的结构体则被称为暗物质晕（简称暗晕）。

9月3日凌晨，《自然》发布了中国科学院国家天文台研究员王杰领衔的国际研究团队的一项重要理论发现。他们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，首次获得了宇宙中从最小的类似地球质量大小到具有最大质量的超级星系团（跨越20个数量级）的暗晕内部结构的清晰图像。

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了。但那些比这一质量小的暗晕，却在整个宇宙演化史里一直保持“黑暗”，因此虽然它们数量极多，人类却对其知之甚少。根据目前流行的模型推测，宇宙中最小的暗晕质量可能和地球相当。

“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。”中科院国家天文台研究员高亮说，“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，我们需要开发一种全新的技术。”

因此，来自中国、德国、英国和美国的国际研究团队耗时5年，开发、测试模拟程序，并在中国广州天河2，英国杜伦大学COSMA，以及德国慕尼黑的超级计算机上完成运行了一系列超级放大宇宙模拟，最终使得质量放大倍数跨越了30个数量级，也即一百万亿亿亿倍。

论文共同作者、杜伦大学教授Carlos Frenk说：“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’来接力，其难度相当于在一张月球表面的图片找到上面的一只跳蚤。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。”

这些超级放大的模拟，使该团队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。

那么，这些小的暗晕到底长什么样呢？“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。”王杰说，“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——中心致密，往外逐渐稀疏，而大量更小的暗物质团块在其相对较外的空间环绕。”

也就是说，如果不知道比例尺，人们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，可以让天文学家利用各种工具去探测它们，比如引力透镜，动力学和伽玛辐射暴的监测。

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于那些因为太小而不能形成恒星的超微暗晕。”德国马普天体物理所教授Simon White说，“未来的伽玛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——可能暗物质可能并不是我们想象的‘完全’是黑暗的。”

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2642-9