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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授王慧元研究團(tuán)隊(duì)首次在觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)彌散矮星系超強(qiáng)的成團(tuán)性，證實(shí)了宇宙中神秘的“暗物質(zhì)暈集聚偏置”（halo assembly bias）現(xiàn)象。這項(xiàng)研究為探討暗物質(zhì)本質(zhì)、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與星系協(xié)同演化提供了重要線索。暗物質(zhì)是一種看不見(jiàn)、不發(fā)光的神秘物質(zhì)，它通過(guò)引力悄然塑造著宇宙結(jié)構(gòu)，主導(dǎo)著星系的形成與演化。暗物質(zhì)粒子在引力作用下聚集，形成暗物質(zhì)暈（暗暈），星系在暗暈的引力勢(shì)阱中形成并演化。暗暈在宇宙大尺度上的分布并不均勻，而是呈現(xiàn)“抱團(tuán)”分布。這種“抱團(tuán)”性不僅與質(zhì)量相關(guān)，也在固定質(zhì)量下與形成時(shí)間、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等多重變量呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。這種現(xiàn)象被稱為“暗暈集聚偏置”，為理解宇宙大尺度結(jié)構(gòu)及星系的形成提供了關(guān)鍵線索。該團(tuán)隊(duì)分析斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目光學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)有了超乎預(yù)期的發(fā)現(xiàn)?？蒲腥藛T聚焦矮星系——這類質(zhì)量小、光度低、通常由暗物質(zhì)主導(dǎo)的星系群體時(shí)，發(fā)現(xiàn)彌散的矮星系更喜歡“抱團(tuán)”（成團(tuán)性較高），而致密矮星系更喜歡“單干”（成團(tuán)性較低）。這與以往根據(jù)大質(zhì)量星系樣本所得的經(jīng)驗(yàn)完全相反，通常面密度越高的星系更喜歡聚集在一起。盡管宇宙結(jié)構(gòu)形成理論早已預(yù)言“暗暈集聚偏置”現(xiàn)象，但長(zhǎng)期以來(lái)并未在觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)確鑿證據(jù)。此次發(fā)現(xiàn)首次為這一預(yù)言提供了高置信度的觀測(cè)支持。同時(shí)，王慧元團(tuán)隊(duì)發(fā)展了宇宙學(xué)模擬方法——ELUCID數(shù)值模擬重構(gòu)技術(shù)，能夠精確再現(xiàn)真實(shí)宇宙中暗暈分布及其演化歷史。團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)，進(jìn)一步解釋了上述現(xiàn)象。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，年老的暗暈在宇宙中的空間分布與彌散矮星系類似，也更喜歡“抱團(tuán)”。這表明，矮星系的形成與暗暈的“年齡”之間有著緊密聯(lián)系。標(biāo)準(zhǔn)冷暗物質(zhì)模型是當(dāng)前解釋宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的主流理論框架，但在該框架下，團(tuán)隊(duì)論證了多種星系形成的物理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)均無(wú)法解釋這一新的發(fā)現(xiàn)。進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)一種考慮暗物質(zhì)自相互作用的替代模型即SIDM可以很好地解釋暗暈的“年齡”以及與星系密度的關(guān)聯(lián)。在年老暗暈中，暗物質(zhì)自相互作用的時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，過(guò)程中產(chǎn)生的“熱量”注入暗暈核心，使其核心結(jié)構(gòu)膨脹，進(jìn)而顯著削弱暗暈中心引力勢(shì)阱，促使星系密度降低。這表明，SIDM模型在解釋矮星系的形成機(jī)制及其在大尺度上的成團(tuán)分布特征具有理論優(yōu)勢(shì)，對(duì)目前主流的星系形成模型及冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型提出了挑戰(zhàn)。上述研究挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的星系形成模型，并為理解暗物質(zhì)本質(zhì)提供了新線索。5月21日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上?！蹲匀弧穼徃迦苏J(rèn)為該成果是“一個(gè)原創(chuàng)且非常讓人驚訝（因此有重要意義）的觀測(cè)結(jié)果”“通過(guò)星系成團(tuán)性測(cè)試暗物質(zhì)自相互作用是一個(gè)嶄新的嘗試，可能具有持續(xù)的影響”。未來(lái)，中國(guó)科大和紫金山天文臺(tái)聯(lián)合建設(shè)的地面大視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡（墨子），有望擴(kuò)大研究樣本，以對(duì)彌散矮星系的“集聚偏置”及暗物質(zhì)性質(zhì)展開(kāi)進(jìn)一步研究。論文鏈接融合水墨藝術(shù)與科學(xué)可視化手法，表現(xiàn)宇宙大尺度暗物質(zhì)分布。水珠中呈現(xiàn)不同環(huán)境下的矮星系圖像，展示了宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與小尺度星系形成之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)。