中國金宝搏入口188發現矮星系的異常空間分布，對標準結構形成模型提出挑戰
中國金宝搏入口188星(xing)系(xi)(xi)宇宙(zhou)學重點實驗室(shi)王(wang)慧元教授研究團隊(dui)在(zai)《自(zi)然》發表最(zui)新成果，首次在(zai)觀測中發現彌(mi)散矮星(xing)系(xi)(xi)異常高的(de)(de)成團性(xing)，證實了(le)宇宙(zhou)中神(shen)秘的(de)(de)“暗(an)(an)物質(zhi)暈集(ji)聚偏置”（halo assembly bias）現象(xiang)，并揭示其與矮星(xing)系(xi)(xi)演化及暗(an)(an)物質(zhi)本質(zhi)的(de)(de)深層關聯。這項研究為理(li)解星(xing)系(xi)(xi)形成機(ji)制和探(tan)索暗(an)(an)物質(zhi)屬(shu)性(xing)提供了(le)重要觀測依據。該(gai)成果于(yu)近(jin)日發表在(zai)國際知名期刊(kan)《自(zi)然》上。
矮星系在宇(yu)宙中普遍存(cun)在、數(shu)量眾(zhong)多，但其由于亮度小、觀(guan)(guan)測難，是以往天文觀(guan)(guan)測研究中易被忽視的星系族群。近年來，矮星系中越(yue)來越(yue)多的特(te)殊(shu)觀(guan)(guan)測現象(xiang)為驗證(zheng)、發(fa)展已有(you)結構形(xing)成理(li)論、建立新理(li)論提供了渠道，引起了國(guo)內外許多研究團(tuan)隊的高度關注(zhu)。
圖(tu)片(pian)1 ：（左圖(tu)）觀測中(zhong)(zhong)的孤(gu)立矮(ai)星系(xi)偏(pian)置和(he)質量面密度(du)的關系(xi)；（右圖(tu)）基于ELUCID 模(mo)擬(ni)和(he)自(zi)相(xiang)(xiang)互作用暗物質（SIDM）模(mo)型預(yu)測的孤(gu)立矮(ai)星系(xi)偏(pian)置（黑色線條）和(he)觀測結果（橙色線條）的對比。其中(zhong)(zhong)插(cha)圖(tu)給(gei)出了由(you)該工作約(yue)束的星系(xi)半(ban)徑-SIDM暗暈核心半(ban)徑比值隨自(zi)相(xiang)(xiang)互作用散射(she)截面的變化。
中國金宝搏入口188研(yan)究團(tuan)隊(dui)聚焦(jiao)于(yu)孤立(li)矮星(xing)(xing)系(xi)(xi)這一(yi)星(xing)(xing)系(xi)(xi)族群，從近鄰宇宙的(de)巡天(tian)觀測出發，發現了彌(mi)散（diffuse）矮星(xing)(xing)系(xi)(xi)在宇宙空間的(de)大尺(chi)度分布呈現異常(chang)高的(de)成團(tuan)性(xing)；而致(zhi)密(mi)（compact）矮星(xing)(xing)系(xi)(xi)的(de)成團(tuan)性(xing)較低，接(jie)近于(yu)理論預期（圖(tu)1左(zuo)）。這一(yi)奇特的(de)空間分布模式(shi)和(he)以往基(ji)于(yu)大質量星(xing)(xing)系(xi)(xi)樣本所得的(de)經驗結論（即越(yue)致(zhi)密(mi)星(xing)(xing)系(xi)(xi)的(de)成團(tuan)性(xing)越(yue)高）完全(quan)相反，暗示了驅動(dong)矮星(xing)(xing)系(xi)(xi)形成和(he)結構演化(hua)的(de)新(xin)物(wu)理機制。
為了(le)從理論(lun)上解釋上述“倒轉(zhuan)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)團(tuan)性模式”，該研(yan)究團(tuan)隊(dui)借助ELUCID模擬重構了(le)近(jin)鄰(lin)宇(yu)宙大尺度物(wu)(wu)質密度場的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)歷(li)史，發(fa)現(xian)(xian)早期(qi)宇(yu)宙形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)年(nian)老暗(an)(an)物(wu)(wu)質暈（即暗(an)(an)暈）在當前宇(yu)宙所(suo)呈現(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)空間分(fen)布與(yu)彌(mi)散矮(ai)星系(xi)(xi)一致，而晚期(qi)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)年(nian)輕暗(an)(an)暈則與(yu)致密矮(ai)星系(xi)(xi)一致。這(zhe)一發(fa)現(xian)(xian)表明(ming)彌(mi)散矮(ai)星系(xi)(xi)產生(sheng)(sheng)于年(nian)老的(de)(de)(de)(de)暗(an)(an)暈中(zhong)(zhong)，而致密矮(ai)星系(xi)(xi)產生(sheng)(sheng)于年(nian)輕的(de)(de)(de)(de)暗(an)(an)暈中(zhong)(zhong)。因(yin)此，矮(ai)星系(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)團(tuan)性模式可以用(yong)暗(an)(an)暈的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)團(tuan)性模式（即暗(an)(an)暈形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)歷(li)史-成(cheng)(cheng)團(tuan)性關聯，亦即暗(an)(an)暈集聚偏置(zhi)）來(lai)解釋。由(you)于暗(an)(an)物(wu)(wu)質本身不發(fa)出可見光，難以觀測，暗(an)(an)暈集聚偏置(zhi)這(zhe)一早已被宇(yu)宙結構形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)理論(lun)所(suo)預(yu)言(yan)的(de)(de)(de)(de)現(xian)(xian)象(xiang)，長(chang)期(qi)以來(lai)未能在觀測中(zhong)(zhong)得(de)到證(zheng)實。該研(yan)究團(tuan)隊(dui)借助矮(ai)星系(xi)(xi)這(zhe)一特殊星系(xi)(xi)族群，首次(ci)為暗(an)(an)暈集聚偏置(zhi)的(de)(de)(de)(de)理論(lun)預(yu)言(yan)提(ti)供了(le)高置(zhi)信度的(de)(de)(de)(de)觀測支(zhi)持。
然而，“年老暗(an)(an)暈(yun)中形成(cheng)彌散矮星系”這一(yi)新的(de)觀測(ce)發(fa)(fa)現(xian)(xian)(xian)，無法在現(xian)(xian)(xian)有標準冷暗(an)(an)物(wu)質(zhi)（CDM）宇(yu)宙學框架的(de)星系形成(cheng)模(mo)型(xing)中得到解釋(shi)。該研究(jiu)團隊考察了(le)一(yi)系列主流星系形成(cheng)模(mo)型(xing)，發(fa)(fa)現(xian)(xian)(xian)其(qi)均給(gei)出了(le)和(he)觀測(ce)發(fa)(fa)現(xian)(xian)(xian)顯著(zhu)不同甚(shen)至相反的(de)結論(lun)。這暗(an)(an)示了(le)現(xian)(xian)(xian)有結構形成(cheng)理論(lun)中重子(zi)物(wu)理甚(shen)至暗(an)(an)物(wu)質(zhi)模(mo)型(xing)和(he)真實宇(yu)宙之間有著(zhu)不可調和(he)的(de)矛盾。
暗(an)物質的(de)(de)(de)(de)本質是懸(xuan)而未決的(de)(de)(de)(de)世(shi)紀科學難題。過去，利用(yong)星(xing)系結構約(yue)束(shu)暗(an)物質模(mo)型(xing)以及參數空間已(yi)被廣泛運用(yong)于天體物理學研究。該(gai)研究團隊(dui)創新地引入(ru)了(le)星(xing)系空間分布模(mo)式這一觀測統計量，為暗(an)物質本質提供了(le)獨立的(de)(de)(de)(de)約(yue)束(shu)方(fang)案。該(gai)研究團隊(dui)發現(xian)，相(xiang)比于CDM中星(xing)系形(xing)(xing)成(cheng)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)困難，自相(xiang)互作用(yong)暗(an)物質（SIDM）可(ke)(ke)以自然(ran)地導致“年老暗(an)暈(yun)(yun)中形(xing)(xing)成(cheng)彌散矮(ai)星(xing)系”這一反(fan)常現(xian)象（圖1右(you)）：年老的(de)(de)(de)(de)暗(an)暈(yun)(yun)中，暗(an)物質自相(xiang)互作用(yong)導致更多的(de)(de)(de)(de)“熱量”注(zhu)入(ru)暗(an)暈(yun)(yun)核心，使暗(an)暈(yun)(yun)核心結構膨脹；這一過程(cheng)可(ke)(ke)顯著(zhu)削減暗(an)暈(yun)(yun)核心處的(de)(de)(de)(de)引力(li)場強度，于是阻(zu)礙了(le)致密星(xing)系結構的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)。
該研究(jiu)成果(guo)首次(ci)從(cong)觀測(ce)上(shang)為暗(an)暈集聚(ju)偏置提(ti)(ti)供(gong)高置信度支持，揭示(shi)了一種(zhong)反(fan)常的(de)暗(an)暈-星系關聯，暗(an)示(shi)了標準冷(leng)暗(an)物(wu)質(zhi)宇宙結(jie)構形成理論(lun)的(de)潛在問題(ti)，為進(jin)一步(bu)探(tan)索(suo)暗(an)物(wu)質(zhi)本質(zhi)提(ti)(ti)供(gong)了關鍵線索(suo)。
188bet足球博(bo)士后張子(zi)文(wen)、陳(chen)洋遙以及特任研(yan)(yan)究(jiu)員容昱為該論(lun)文(wen)的(de)共同第(di)一作者，王(wang)慧(hui)元(yuan)教授(shou)為通(tong)訊(xun)作者。該研(yan)(yan)究(jiu)得(de)到了(le)國家自然(ran)科學基金委(wei)、中(zhong)國科學院、中(zhong)國博(bo)士后基金和唐仲英(ying)基金的(de)支持(chi)。
論文(wen)鏈接：//www.nature.com/articles/s41586-025-08965-5
（天文學系、科研部）
