登上《自然》！中國科大證實暗物質暈“年齡”塑造矮星系空間分佈

記者5月21日從中國科大獲悉，中國科學技術大學王慧元教授研究團隊首次在觀測中發現彌散矮星系超強的成團性，證實了宇宙中神秘的“暗物質暈集聚偏置（halo assembly bias）”現象。這項研究爲理解暗物質本質、宇宙大尺度結構與星系協同演化提供了重要線索。北京時間5月21日，該項成果正式發表在國際學術期刊《自然》。

暗物質是一種看不見、不發光的神秘物質，它通過引力悄然塑造着宇宙的結構，主導着星系的形成與演化。暗物質粒子在引力作用下聚集，形成暗物質暈（暗暈），星系在暗暈的引力勢阱中形成並演化。暗暈在宇宙大尺度上的分佈並不均勻，而是呈現“抱團”分佈。這種“抱團”性不僅與質量相關，也在固定質量下與形成時間、內部結構等多重變量呈現統計相關性。這種現象被稱爲暗暈集聚偏置，它爲我們理解宇宙大尺度結構及星系的形成提供了關鍵線索。

研究團隊分析斯隆數字巡天項目(SDSS)光學數據時，有了超乎預期的發現。當他們將目光聚焦在矮星系——這類質量小、光度低、通常由暗物質主導的星系羣體上時，發現彌散的矮星系更喜歡“抱團”（成團性較高），而緻密矮星系更喜歡“單幹”（成團性較低）。“這與以往根據大質量星系樣本所得的經驗完全相反，通常面密度越高的星系更喜歡聚集在一起。”王慧元團隊很快意識到，這可能是一個非常罕見和珍貴的發現。

儘管宇宙結構形成理論早已預言了“暗暈集聚偏置”現象的存在，但長期以來並未從觀測中發現確鑿的證據支持。此次研究團隊的發現，首次爲這一預言提供了高置信度的觀測支持。

王慧元團隊還獨立發展了一種宇宙學模擬方法——ELUCID數值模擬重構技術，能夠精確再現真實宇宙中暗暈分佈及其演化歷史。利用該技術，他們進一步解釋了上述現象。研究發現，年老的暗暈在宇宙中的空間分佈與彌散矮星系類似，也更喜歡“抱團”。這表明，矮星系的形成與暗暈的“年齡”之間有着緊密聯繫。

雖然標準冷暗物質模型（CDM）是當前解釋宇宙大尺度結構形成的主流理論框架，然而在該框架下，研究團隊論證了多種星系形成的物理機制，發現均無法有效解釋這一新的發現。研究團隊進一步發現一種考慮暗物質自相互作用的替代模型（SIDM），可以很好地解釋暗暈的“年齡”和星系密度的關聯。在年老暗暈中，暗物質自相互作用的時間相對長，過程中產生的“熱量”注入暗暈核心，使其核心結構膨脹，進而顯著削弱暗暈中心引力勢阱，促使星系密度降低。“我們的工作表明，SIDM模型在解釋矮星系的形成機制及其在大尺度上的成團分佈特徵具有獨特的理論優勢，這對目前主流的星系形成模型及冷暗物質宇宙學模型均提出了嚴峻的挑戰。”王慧元說。

王慧元介紹，此次研究不僅挑戰了現有的星系形成模型，還爲理解暗物質本質提供了新線索。天文學家距離揭開暗物質的神秘面紗又近了一步。未來通過中國科大及紫臺聯合建設的地面大視場巡天望遠鏡墨子（The Wide Field Survey Telescope）有望擴大研究樣本，進一步對彌散矮星系的“集聚偏置”及暗物質性質展開研究。

《自然》雜誌審稿人稱讚該成果是“一個原創且非常讓人驚訝（因此有重要意義）的觀測結果”(This is an original and very surprising (and thus significant) result)，“通過星系成團性測試暗物質自相互作用是一個嶄新的嘗試，可能具有持續的影響”（Testing predictions of dark matter self-interactions through galaxy clustering is a novel approach and could have a lasting impact）。

（記者 汪喬）