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星系宇宙學重點實(shi)驗室王慧元教(jiao)授研(yan)究團隊在《自然》發(fa)表最新成果，首次在觀測中發(fa)現(xian)彌散矮星系異(yi)常高的(de)(de)成團性，證(zheng)實(shi)了宇宙中神(shen)秘的(de)(de)“暗(an)物質暈集聚偏置”（halo assembly bias）現(xian)象，并揭示其與矮星系演化及暗(an)物質本(ben)質的(de)(de)深(shen)層關聯。這項研(yan)究為理解星系形成機制(zhi)和探索暗(an)物質屬性提供了重要觀測依據(ju)。該成果于近日(ri)發(fa)表在國際知名期刊《自然》上。
矮星系在宇宙中(zhong)普(pu)遍存在、數量眾多(duo)，但其(qi)由(you)于亮度(du)小、觀測(ce)難，是(shi)以(yi)往天文觀測(ce)研究中(zhong)易被忽視的星系族群。近年(nian)來，矮星系中(zhong)越來越多(duo)的特殊觀測(ce)現象為驗證、發(fa)展已有結構形(xing)成(cheng)理論、建立新理論提供了渠道，引起了國內外許多(duo)研究團隊的高(gao)度(du)關注。
圖(tu)片1 ：（左圖(tu)）觀(guan)測中(zhong)(zhong)的(de)孤(gu)立(li)矮星(xing)(xing)系偏置(zhi)和質量面密度的(de)關系；（右圖(tu)）基(ji)于(yu)ELUCID 模擬(ni)和自相(xiang)互作(zuo)用(yong)暗物質（SIDM）模型預測的(de)孤(gu)立(li)矮星(xing)(xing)系偏置(zhi)（黑色(se)線條）和觀(guan)測結(jie)果（橙色(se)線條）的(de)對比(bi)。其中(zhong)(zhong)插圖(tu)給出了由該工作(zuo)約束的(de)星(xing)(xing)系半徑-SIDM暗暈核心半徑比(bi)值隨自相(xiang)互作(zuo)用(yong)散(san)射截面的(de)變化。
中國金宝搏入口188研究團(tuan)隊(dui)聚焦于孤立矮(ai)星(xing)系這(zhe)(zhe)一星(xing)系族群，從近鄰宇宙的巡天(tian)觀測出發，發現了(le)彌(mi)散（diffuse）矮(ai)星(xing)系在宇宙空間(jian)的大尺度分(fen)布(bu)呈(cheng)現異常(chang)高的成團(tuan)性(xing)；而致密(mi)（compact）矮(ai)星(xing)系的成團(tuan)性(xing)較低，接近于理論預期(qi)（圖1左(zuo)）。這(zhe)(zhe)一奇特的空間(jian)分(fen)布(bu)模式和以往基于大質量星(xing)系樣(yang)本所得的經(jing)驗結論（即越(yue)致密(mi)星(xing)系的成團(tuan)性(xing)越(yue)高）完全相反(fan)，暗示了(le)驅動(dong)矮(ai)星(xing)系形成和結構演化的新物理機(ji)制。
為了(le)從理(li)(li)論(lun)上解(jie)釋(shi)上述“倒(dao)轉的(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)團(tuan)性(xing)模(mo)(mo)式”，該(gai)研究團(tuan)隊借助(zhu)ELUCID模(mo)(mo)擬(ni)重(zhong)構了(le)近鄰宇宙大尺度(du)物質密(mi)度(du)場的(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)歷(li)史，發現早期(qi)宇宙形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)年(nian)老(lao)暗(an)(an)物質暈(yun)（即暗(an)(an)暈(yun)）在當(dang)前宇宙所呈現的(de)(de)空間分布與彌散矮星(xing)系一(yi)致，而(er)晚(wan)期(qi)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)年(nian)輕暗(an)(an)暈(yun)則與致密(mi)矮星(xing)系一(yi)致。這一(yi)發現表明彌散矮星(xing)系產生于(yu)年(nian)老(lao)的(de)(de)暗(an)(an)暈(yun)中，而(er)致密(mi)矮星(xing)系產生于(yu)年(nian)輕的(de)(de)暗(an)(an)暈(yun)中。因此，矮星(xing)系的(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)團(tuan)性(xing)模(mo)(mo)式可以(yi)用(yong)暗(an)(an)暈(yun)的(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)團(tuan)性(xing)模(mo)(mo)式（即暗(an)(an)暈(yun)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)歷(li)史-成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)團(tuan)性(xing)關(guan)聯，亦(yi)即暗(an)(an)暈(yun)集聚偏(pian)(pian)置(zhi)）來解(jie)釋(shi)。由于(yu)暗(an)(an)物質本(ben)身不發出可見(jian)光，難以(yi)觀測(ce)，暗(an)(an)暈(yun)集聚偏(pian)(pian)置(zhi)這一(yi)早已被宇宙結構形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)理(li)(li)論(lun)所預言的(de)(de)現象(xiang)，長期(qi)以(yi)來未能在觀測(ce)中得到證(zheng)實。該(gai)研究團(tuan)隊借助(zhu)矮星(xing)系這一(yi)特殊星(xing)系族群(qun)，首次為暗(an)(an)暈(yun)集聚偏(pian)(pian)置(zhi)的(de)(de)理(li)(li)論(lun)預言提供了(le)高(gao)置(zhi)信度(du)的(de)(de)觀測(ce)支持。
然而(er)，“年(nian)老暗暈中形(xing)成彌散矮星系”這(zhe)一新的(de)觀測(ce)發(fa)現，無法在現有(you)標準冷暗物質（CDM）宇(yu)宙(zhou)學框(kuang)架的(de)星系形(xing)成模型中得到解釋(shi)。該(gai)研究團隊(dui)考察了一系列主流星系形(xing)成模型，發(fa)現其均給出了和觀測(ce)發(fa)現顯著不同甚至(zhi)相反(fan)的(de)結(jie)論。這(zhe)暗示(shi)了現有(you)結(jie)構形(xing)成理(li)論中重子物理(li)甚至(zhi)暗物質模型和真實宇(yu)宙(zhou)之(zhi)間有(you)著不可調和的(de)矛盾。
暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)的本質(zhi)(zhi)是懸(xuan)而(er)未(wei)決的世紀科學難題。過去，利用(yong)星系(xi)結(jie)構約束暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)模型(xing)(xing)以(yi)及參(can)數(shu)空間已被廣(guang)泛運用(yong)于天體物理學研究。該研究團(tuan)隊(dui)創新地(di)引入了星系(xi)空間分(fen)布模式這(zhe)一(yi)觀(guan)測統計量，為暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)本質(zhi)(zhi)提供了獨立的約束方案。該研究團(tuan)隊(dui)發(fa)現(xian)，相比于CDM中星系(xi)形成模型(xing)(xing)的困難，自(zi)相互作(zuo)(zuo)用(yong)暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)（SIDM）可(ke)以(yi)自(zi)然地(di)導(dao)致“年老暗(an)(an)暈(yun)(yun)中形成彌散矮星系(xi)”這(zhe)一(yi)反常(chang)現(xian)象（圖1右）：年老的暗(an)(an)暈(yun)(yun)中，暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)自(zi)相互作(zuo)(zuo)用(yong)導(dao)致更多的“熱量”注入暗(an)(an)暈(yun)(yun)核(he)心，使(shi)暗(an)(an)暈(yun)(yun)核(he)心結(jie)構膨脹；這(zhe)一(yi)過程(cheng)可(ke)顯著削(xue)減暗(an)(an)暈(yun)(yun)核(he)心處的引力場(chang)強度，于是阻礙了致密星系(xi)結(jie)構的形成。
該研究成果(guo)首次從觀(guan)測上為暗(an)(an)暈集(ji)聚偏置提(ti)供(gong)高(gao)置信(xin)度支持，揭示(shi)了一(yi)種反常(chang)的暗(an)(an)暈-星(xing)系關聯(lian)，暗(an)(an)示(shi)了標準(zhun)冷暗(an)(an)物質宇宙結構形成理論的潛(qian)在問題，為進(jin)一(yi)步探索暗(an)(an)物質本質提(ti)供(gong)了關鍵(jian)線索。
188bet足球博士(shi)后張子文、陳洋遙以及特任研究員容昱為該論(lun)文的(de)共同第(di)一作(zuo)者，王慧元教授為通(tong)訊(xun)作(zuo)者。該研究得(de)到了(le)國家自(zi)然科(ke)學基金(jin)(jin)委(wei)、中國科(ke)學院(yuan)、中國博士(shi)后基金(jin)(jin)和(he)唐仲英基金(jin)(jin)的(de)支持。
論文(wen)鏈接：//www.nature.com/articles/s41586-025-08965-5
（天文學系、科研部）
