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(zhong)國金宝搏入口188星系宇(yu)宙學重點實驗(yan)室(shi)王(wang)慧元教授(shou)研(yan)究(jiu)團隊在《自(zi)然》發(fa)表最新成果，首次在觀(guan)測(ce)中(zhong)發(fa)現(xian)彌散矮星系異常高(gao)的(de)成團性，證實了宇(yu)宙中(zhong)神秘的(de)“暗物(wu)質暈(yun)集聚(ju)偏置”（halo assembly bias）現(xian)象，并揭示其與矮星系演化及暗物(wu)質本(ben)質的(de)深(shen)層關聯。這項研(yan)究(jiu)為理解星系形成機制和探索暗物(wu)質屬性提供了重要(yao)觀(guan)測(ce)依據。該成果于近日發(fa)表在國際知(zhi)名期刊《自(zi)然》上。
矮(ai)星系在宇宙中(zhong)普遍存在、數量眾多，但(dan)其(qi)由于亮度小(xiao)、觀(guan)測難，是(shi)以往天(tian)文觀(guan)測研(yan)究中(zhong)易被忽視(shi)的(de)星系族群。近年來，矮(ai)星系中(zhong)越來越多的(de)特殊觀(guan)測現象(xiang)為(wei)驗證、發展(zhan)已有結構(gou)形成理(li)論、建立新理(li)論提供了渠道，引起了國內(nei)外許多研(yan)究團隊的(de)高度關注。
圖片1 ：（左圖）觀(guan)測中的孤立矮星(xing)系偏置和質量面密度的關系；（右圖）基于ELUCID 模擬和自相互(hu)作(zuo)(zuo)用暗(an)物質（SIDM）模型預測的孤立矮星(xing)系偏置（黑色(se)線條）和觀(guan)測結果（橙色(se)線條）的對比。其中插(cha)圖給出了由該(gai)工作(zuo)(zuo)約束(shu)的星(xing)系半(ban)徑-SIDM暗(an)暈核(he)心半(ban)徑比值隨自相互(hu)作(zuo)(zuo)用散射截(jie)面的變化(hua)。
中國金宝搏入口188研(yan)究團隊聚焦于孤(gu)立矮(ai)星(xing)系這一(yi)星(xing)系族群，從近(jin)鄰(lin)宇宙的(de)(de)(de)(de)巡天觀測出發(fa)，發(fa)現(xian)了(le)彌散（diffuse）矮(ai)星(xing)系在宇宙空間的(de)(de)(de)(de)大(da)尺度分布呈現(xian)異常高(gao)的(de)(de)(de)(de)成團性；而(er)致(zhi)密(mi)（compact）矮(ai)星(xing)系的(de)(de)(de)(de)成團性較低，接近(jin)于理(li)論(lun)預期（圖1左(zuo)）。這一(yi)奇特的(de)(de)(de)(de)空間分布模式和(he)以往基于大(da)質(zhi)量星(xing)系樣本(ben)所得的(de)(de)(de)(de)經驗結論(lun)（即(ji)越致(zhi)密(mi)星(xing)系的(de)(de)(de)(de)成團性越高(gao)）完全相反，暗示了(le)驅動(dong)矮(ai)星(xing)系形成和(he)結構演化的(de)(de)(de)(de)新物理(li)機制。
為了(le)(le)從理論上解釋上述“倒(dao)轉的(de)成(cheng)團性(xing)模(mo)式(shi)”，該(gai)研究(jiu)團隊借助ELUCID模(mo)擬重構了(le)(le)近鄰宇宙(zhou)大(da)尺度物質密(mi)度場的(de)形(xing)成(cheng)歷(li)(li)史(shi)，發(fa)(fa)現(xian)早期宇宙(zhou)形(xing)成(cheng)的(de)年老(lao)暗(an)(an)(an)物質暈(yun)(yun)(yun)（即暗(an)(an)(an)暈(yun)(yun)(yun)）在當前宇宙(zhou)所呈現(xian)的(de)空間(jian)分(fen)布與彌散矮(ai)(ai)(ai)星(xing)系一致，而晚期形(xing)成(cheng)的(de)年輕(qing)暗(an)(an)(an)暈(yun)(yun)(yun)則(ze)與致密(mi)矮(ai)(ai)(ai)星(xing)系一致。這一發(fa)(fa)現(xian)表明(ming)彌散矮(ai)(ai)(ai)星(xing)系產生(sheng)于(yu)年老(lao)的(de)暗(an)(an)(an)暈(yun)(yun)(yun)中，而致密(mi)矮(ai)(ai)(ai)星(xing)系產生(sheng)于(yu)年輕(qing)的(de)暗(an)(an)(an)暈(yun)(yun)(yun)中。因此，矮(ai)(ai)(ai)星(xing)系的(de)成(cheng)團性(xing)模(mo)式(shi)可(ke)(ke)以(yi)用(yong)暗(an)(an)(an)暈(yun)(yun)(yun)的(de)成(cheng)團性(xing)模(mo)式(shi)（即暗(an)(an)(an)暈(yun)(yun)(yun)形(xing)成(cheng)歷(li)(li)史(shi)-成(cheng)團性(xing)關聯，亦即暗(an)(an)(an)暈(yun)(yun)(yun)集(ji)聚偏(pian)置）來解釋。由于(yu)暗(an)(an)(an)物質本(ben)身(shen)不發(fa)(fa)出可(ke)(ke)見光，難以(yi)觀測(ce)(ce)，暗(an)(an)(an)暈(yun)(yun)(yun)集(ji)聚偏(pian)置這一早已(yi)被宇宙(zhou)結構形(xing)成(cheng)理論所預言(yan)的(de)現(xian)象(xiang)，長期以(yi)來未(wei)能(neng)在觀測(ce)(ce)中得到證實(shi)。該(gai)研究(jiu)團隊借助矮(ai)(ai)(ai)星(xing)系這一特殊星(xing)系族(zu)群(qun)，首次為暗(an)(an)(an)暈(yun)(yun)(yun)集(ji)聚偏(pian)置的(de)理論預言(yan)提供了(le)(le)高(gao)置信(xin)度的(de)觀測(ce)(ce)支(zhi)持。
然(ran)而，“年老暗(an)(an)暈(yun)中(zhong)形(xing)成彌(mi)散矮星系(xi)”這一新的(de)觀測發(fa)現，無法在現有(you)(you)標準冷暗(an)(an)物(wu)質（CDM）宇(yu)宙(zhou)學框架(jia)的(de)星系(xi)形(xing)成模型(xing)(xing)中(zhong)得到解釋。該研究團隊考察了(le)(le)一系(xi)列(lie)主流星系(xi)形(xing)成模型(xing)(xing)，發(fa)現其均(jun)給出了(le)(le)和(he)觀測發(fa)現顯(xian)著(zhu)(zhu)不同甚至(zhi)相反的(de)結(jie)論(lun)。這暗(an)(an)示了(le)(le)現有(you)(you)結(jie)構形(xing)成理論(lun)中(zhong)重子物(wu)理甚至(zhi)暗(an)(an)物(wu)質模型(xing)(xing)和(he)真實(shi)宇(yu)宙(zhou)之(zhi)間有(you)(you)著(zhu)(zhu)不可調和(he)的(de)矛盾。
暗物質(zhi)的本(ben)質(zhi)是(shi)懸而未決的世紀科學難題。過(guo)去，利(li)用(yong)(yong)(yong)星系(xi)(xi)結構約(yue)束(shu)暗物質(zhi)模型(xing)(xing)以及(ji)參數空間已被廣(guang)泛運用(yong)(yong)(yong)于天(tian)體物理(li)學研究。該(gai)研究團隊創新地引(yin)入了(le)星系(xi)(xi)空間分布模式這一觀測統計(ji)量，為(wei)暗物質(zhi)本(ben)質(zhi)提供了(le)獨立的約(yue)束(shu)方(fang)案。該(gai)研究團隊發現，相比于CDM中(zhong)星系(xi)(xi)形(xing)成模型(xing)(xing)的困難，自(zi)相互作用(yong)(yong)(yong)暗物質(zhi)（SIDM）可(ke)以自(zi)然地導(dao)致“年老暗暈中(zhong)形(xing)成彌散矮星系(xi)(xi)”這一反常現象（圖1右）：年老的暗暈中(zhong)，暗物質(zhi)自(zi)相互作用(yong)(yong)(yong)導(dao)致更多(duo)的“熱量”注入暗暈核心，使(shi)暗暈核心結構膨(peng)脹(zhang)；這一過(guo)程可(ke)顯著削減暗暈核心處(chu)的引(yin)力場強(qiang)度，于是(shi)阻礙(ai)了(le)致密星系(xi)(xi)結構的形(xing)成。
該研究成果(guo)首次從(cong)觀測(ce)上為暗(an)(an)暈集聚(ju)偏(pian)置(zhi)提供高置(zhi)信度支持，揭示了(le)一種反常的暗(an)(an)暈-星系關(guan)聯，暗(an)(an)示了(le)標準冷(leng)暗(an)(an)物(wu)質宇(yu)宙結構形成理論的潛在問題，為進一步探(tan)索暗(an)(an)物(wu)質本質提供了(le)關(guan)鍵線索。
188bet足球博士后張子文、陳洋遙以及特任研(yan)究員容(rong)昱(yu)為(wei)該論文的共(gong)同第(di)一作者，王慧(hui)元教授為(wei)通訊(xun)作者。該研(yan)究得到了國家自然科學(xue)基(ji)(ji)金委、中國科學(xue)院、中國博士后基(ji)(ji)金和(he)唐仲(zhong)英基(ji)(ji)金的支持。
論文鏈(lian)接：//www.nature.com/articles/s41586-025-08965-5
（天文學系、科研部(bu)）
