研究发现矮星系异常空间分布
中国科学技术大学教授王慧元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。这项研究为探讨暗物质本质、宇宙大尺度结构与星系协同演化提供了重要线索。
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”，为理解宇宙大尺度结构及星系的形成提供了关键线索。
该团队分析斯隆数字巡天项目光学数据时有了超乎预期的发现。科研人员聚焦矮星系——这类质量小、光度低、通常由暗物质主导的星系群体时，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。
尽管宇宙结构形成理论早已预言“暗晕集聚偏置”现象，但长期以来并未在观测中发现确凿证据。此次发现首次为这一预言提供了高置信度的观测支持。
同时，王慧元团队发展了宇宙学模拟方法——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。团队利用该技术，进一步解释了上述现象。团队发现，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。
标准冷暗物质模型是当前解释宇宙大尺度结构形成的主流理论框架，但在该框架下，团队论证了多种星系形成的物理机制，发现均无法解释这一新的发现。进一步，研究发现一种考虑暗物质自相互作用的替代模型即SIDM可以很好地解释暗晕的“年龄”以及与星系密度的关联。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。这表明，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理论优势，对目前主流的星系形成模型及冷暗物质宇宙学模型提出了挑战。
上述研究挑战了现有的星系形成模型，并为理解暗物质本质提供了新线索。
5月21日，相关研究成果发表在《自然》（Nature）上。《自然》审稿人认为该成果是“一个原创且非常让人惊讶（因此有重要意义）的观测结果”“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”。
未来，中国科大和紫金山天文台联合建设的地面大视场巡天望远镜（墨子），有望扩大研究样本，以对弥散矮星系的“集聚偏置”及暗物质性质展开进一步研究。
论文链接
融合水墨艺术与科学可视化手法，表现宇宙大尺度暗物质分布。水珠中呈现不同环境下的矮星系图像，展示了宇宙大尺度结构与小尺度星系形成之间的复杂关联。
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