“黑暗”神秘不再！借助超級計算機模擬宇宙演化，暗物質(zhì)“真身”或?qū)o所遁形

“暗物質(zhì)概念是一個非常美妙的理論，它能夠?qū)δ壳耙阎乃杏^測事實提供一個合理解釋。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員王杰說道。

為了解暗物質(zhì)，科學(xué)家們付出的心血和努力難以估量，對其研究甚至可以追溯到1 3 7億年前的宇宙之初。

2021未來科學(xué)大獎周-科學(xué)峰會期間，深科技就如何借助計算機模擬探測暗物質(zhì)與王杰進(jìn)行了探討。

暗物質(zhì)概念“存在即合理”

宇宙是由什么構(gòu)成的？它又是怎樣進(jìn)行運動和演化的？千百年來，這些問題一直困擾著人類科學(xué)家。

據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)模型得知， “ 宇宙中約85%的物質(zhì)成分是暗物質(zhì)，它的物質(zhì)屬性和構(gòu)成人類世界的普通物質(zhì)截然不同。”

暗物質(zhì)的猜想和理論首次提出是在20世紀(jì)20年代初，當(dāng)時荷蘭天文學(xué)家雅克布斯·卡普坦通過一些星系運動的異常現(xiàn)象，推測出星系周圍可能存在不可見的物質(zhì)，從而提出“暗物質(zhì)”概念。

正如名字一樣，暗物質(zhì)如同“幽靈”般隱藏在黑暗中，既不反射也不會主動發(fā)射光線， 想要直接探測到它是一件很困難的事情。可以說，這種神秘的物質(zhì)對科學(xué)家們了解宇宙帶來重大挑戰(zhàn)。

暗物質(zhì)對人類來說意義重大，如果離開了暗物質(zhì)，河外星系的旋轉(zhuǎn)曲線以及宇宙的演化歷史將很難得到解釋， 從這個角度來看，人類需要暗物質(zhì)概念的存在。

“我們不知道暗物質(zhì)具體是什么，但是我們可以假定它是什么。”王杰表示，“這其實是一個不斷排除中的選擇題”。正如人類之前假定中微子是暗物質(zhì)，但現(xiàn)在它已經(jīng)被從候補名單中剔除，因為如果中微子是暗物質(zhì)，很多問題將無法得到解釋。

暗物質(zhì)或是人類物理學(xué)下一個突破口

過去的幾十年里，人類對于整個宇宙的認(rèn)識已取得突飛猛進(jìn)的突破，眾多的天文觀測數(shù)據(jù)也在向我們彰顯著暗物質(zhì)的存在。但事實上，暗物質(zhì)的屬性仍然是個未解之迷，甚至直到現(xiàn)在，科學(xué)家都一直沒能成功直接檢測到宇宙里的暗物質(zhì)。

不過，反向思考的話，這也意味著人們對暗物質(zhì)的研究將極有可能孕育出新物理的重大發(fā)現(xiàn)，并對未來的基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。

“ 就像量子力學(xué)誕生之前，人類不知道量子力學(xué)的存在一樣，暗物質(zhì)研究一旦出現(xiàn)突破，其震撼效應(yīng)將是無法估量的，人類認(rèn)知或?qū)⑻岣咭粋€新的層次，這就是研究暗物質(zhì)的意義。”王杰表示。

當(dāng)前， 人類對于暗物質(zhì)的研究，大多還停留在“觀測”階段。而想要真正地了解暗物質(zhì)，切實的探測手段是不可或缺的。

王杰指出， 對于暗物質(zhì)，目前常見的探測途徑有直接探測、間接探測和對撞機探測三種方式。

其中， 對撞機探測方式是在粒子對撞實驗中產(chǎn)生暗物質(zhì)，但這種方式對加速器有很高的要求。由于加速器的技術(shù)復(fù)雜度以及高昂的造價，以目前主流的加速器能級來說，依然未能發(fā)現(xiàn)任何暗物質(zhì)粒子的跡象，因此具有相當(dāng)大的局限性。

直接探測主要是利用暗物質(zhì)發(fā)生作用后的一些痕跡或者現(xiàn)象。這類探測通常是在地下進(jìn)行，比如中國的錦屏山地下實驗室。該實驗室是中國第一個地下極深暗物質(zhì)探測實驗室，可有效屏蔽來自宇宙射線的干擾，使得暗物質(zhì)探測器的探測結(jié)果更加干凈和精準(zhǔn)。

此外，還有一種間接探測的方式，即利用天體的物理效應(yīng)。當(dāng)暗物質(zhì)粒子在宇宙發(fā)生湮滅后，其會產(chǎn)生伽瑪射線、正電子、反質(zhì)子、中微子等穩(wěn)定粒子，此時，我們便可通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的“ 蛛絲馬跡”。

所以，現(xiàn)在一般都會將粒子對撞的探測方法與直接或間接的探測方法相結(jié)合，從而達(dá)到最好的探測效果。

超級計算機助力“窺見”暗物質(zhì)

超級計算機在人類研究暗物質(zhì)的過程中發(fā)揮著不可替代的作用。

王杰在《超級計算機里的宇宙》的演講中指出，通過數(shù)值模擬，超級計算機可以模擬出不同宇宙學(xué)模型的演化，從而在與觀測得到的星系巡天數(shù)據(jù)的對比中，明確了現(xiàn)在以暗物質(zhì)、暗能量為主導(dǎo)的“雙暗”標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型。

換句話說， 盡管暗物質(zhì)的本質(zhì)難以明確， 但我們對暗物質(zhì)并非一無所知。這其中，復(fù)雜的計算機模擬便是我們了解暗物質(zhì)的一種方式。

2021年，王杰團(tuán)隊通過超級計算機，采用一種全新的多重放大模擬技術(shù)，最終在全部質(zhì)量尺度上解析了暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)并獲得高清圖。暗暈是暗物質(zhì)受引力塌縮，形成的結(jié)構(gòu)體，該研究從最小的類似地球質(zhì)量大小到具有最大質(zhì)量的超級星系團(tuán)，跨越20個數(shù)量級，但圖像都達(dá)到了相當(dāng)?shù)木取?/p>

“對于天文學(xué)而言，觀測設(shè)備是根本，有設(shè)備和沒有設(shè)備的差距可謂天壤之別，不同的模型預(yù)測的暗暈大小也是不一樣的。”王杰表示。

借助計算機模擬， 人類將可以直觀的“窺見”暗物質(zhì)在宇宙中的分布和演化，并進(jìn)一步認(rèn)識宇宙中的結(jié)構(gòu)是如何形成的，包括大尺度結(jié)構(gòu)、暗暈以及星系等。

從碩士研究生開始，王杰便一直專注于天文學(xué)研究。對此，王杰表示，對天文學(xué)的熱愛起始于自己的好奇心，正是在好奇心的驅(qū)使下，才不斷推動著他向前邁步。

此外他也提到，“我們不能一味等待，而是要主動把握機遇。以我模擬地球大小質(zhì)量暗暈的案例來說，如果等待超級計算機來完成模擬任務(wù)， 可能還需要再等待四五十年，這時就需要我們開發(fā)新的研究思路。”

科技發(fā)達(dá)的今天，暗物質(zhì)仍然是現(xiàn)代天文學(xué)中最大的謎團(tuán)之一。未來，王杰希望繼續(xù)以好奇心為驅(qū)動力，在暗物質(zhì)研究的應(yīng)用方面做出更多的探索。