中(zhong)(zhong)國金宝搏入口188星系宇宙學重點實(shi)驗室王慧元教(jiao)授研究團隊在《自(zi)然》發表最新成(cheng)果，首(shou)次(ci)在觀測(ce)中(zhong)(zhong)發現(xian)彌散矮星系異(yi)常高的成(cheng)團性，證實(shi)了(le)宇宙中(zhong)(zhong)神秘的“暗(an)物質(zhi)暈集聚(ju)偏置”（halo assembly bias）現(xian)象，并揭示(shi)其與矮星系演化及暗(an)物質(zhi)本(ben)質(zhi)的深層關聯。這項(xiang)研究為理解星系形成(cheng)機制和探(tan)索暗(an)物質(zhi)屬性提供了(le)重要觀測(ce)依(yi)據。該成(cheng)果于近(jin)日發表在國際知名期刊《自(zi)然》上(shang)。
矮(ai)星(xing)(xing)系在宇宙中普遍存在、數量(liang)眾多，但其(qi)由于亮度小、觀(guan)測(ce)難，是以往(wang)天文(wen)觀(guan)測(ce)研(yan)究中易(yi)被忽(hu)視的(de)星(xing)(xing)系族群。近年(nian)來，矮(ai)星(xing)(xing)系中越(yue)來越(yue)多的(de)特殊觀(guan)測(ce)現象為驗證、發展已有結構形成理論、建立新理論提供(gong)了(le)渠(qu)道，引起了(le)國(guo)內(nei)外許多研(yan)究團隊(dui)的(de)高度關注。
圖(tu)片1 ：（左圖(tu)）觀測中(zhong)的(de)孤立(li)矮(ai)星系偏置(zhi)和(he)質量(liang)面密(mi)度的(de)關系；（右圖(tu)）基(ji)于ELUCID 模擬和(he)自相(xiang)互(hu)作(zuo)用暗物質（SIDM）模型預測的(de)孤立(li)矮(ai)星系偏置(zhi)（黑色線(xian)條(tiao)）和(he)觀測結果（橙色線(xian)條(tiao)）的(de)對比。其中(zhong)插圖(tu)給出了(le)由該工作(zuo)約(yue)束的(de)星系半(ban)徑-SIDM暗暈核心半(ban)徑比值隨自相(xiang)互(hu)作(zuo)用散射(she)截面的(de)變化。
中(zhong)國金宝搏入口188研(yan)究團(tuan)隊(dui)聚(ju)焦于孤立矮(ai)星(xing)系這(zhe)一星(xing)系族(zu)群，從近鄰(lin)宇宙的(de)(de)巡天觀測出(chu)發(fa)(fa)，發(fa)(fa)現(xian)了彌散(san)（diffuse）矮(ai)星(xing)系在宇宙空間(jian)的(de)(de)大(da)尺度分布呈現(xian)異(yi)常高的(de)(de)成團(tuan)性(xing)；而(er)致密（compact）矮(ai)星(xing)系的(de)(de)成團(tuan)性(xing)較低，接(jie)近于理論預期（圖1左）。這(zhe)一奇特(te)的(de)(de)空間(jian)分布模式(shi)和(he)以往基于大(da)質量星(xing)系樣本(ben)所得的(de)(de)經(jing)驗結論（即越(yue)致密星(xing)系的(de)(de)成團(tuan)性(xing)越(yue)高）完全相反，暗示了驅(qu)動矮(ai)星(xing)系形成和(he)結構演(yan)化的(de)(de)新(xin)物理機制。
為(wei)了(le)(le)從理論(lun)(lun)上解釋上述“倒轉(zhuan)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)團性模(mo)式(shi)”，該(gai)研(yan)究團隊借助ELUCID模(mo)擬重構(gou)了(le)(le)近鄰宇宙(zhou)(zhou)大(da)尺(chi)度物質(zhi)密度場的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)歷(li)史(shi)，發現早(zao)期(qi)(qi)宇宙(zhou)(zhou)形成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)年(nian)老(lao)暗(an)物質(zhi)暈(yun)(yun)(yun)(yun)（即暗(an)暈(yun)(yun)(yun)(yun)）在當前(qian)宇宙(zhou)(zhou)所呈現的(de)(de)(de)(de)空間(jian)分布與(yu)彌散(san)矮星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)一(yi)致(zhi)，而晚期(qi)(qi)形成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)年(nian)輕(qing)暗(an)暈(yun)(yun)(yun)(yun)則(ze)與(yu)致(zhi)密矮星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)一(yi)致(zhi)。這一(yi)發現表明彌散(san)矮星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)產(chan)生(sheng)于年(nian)老(lao)的(de)(de)(de)(de)暗(an)暈(yun)(yun)(yun)(yun)中(zhong)，而致(zhi)密矮星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)產(chan)生(sheng)于年(nian)輕(qing)的(de)(de)(de)(de)暗(an)暈(yun)(yun)(yun)(yun)中(zhong)。因(yin)此，矮星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)團性模(mo)式(shi)可(ke)以用暗(an)暈(yun)(yun)(yun)(yun)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)團性模(mo)式(shi)（即暗(an)暈(yun)(yun)(yun)(yun)形成(cheng)(cheng)歷(li)史(shi)-成(cheng)(cheng)團性關聯(lian)，亦即暗(an)暈(yun)(yun)(yun)(yun)集(ji)(ji)聚偏置(zhi)）來(lai)解釋。由于暗(an)物質(zhi)本身(shen)不發出(chu)可(ke)見光，難以觀測(ce)，暗(an)暈(yun)(yun)(yun)(yun)集(ji)(ji)聚偏置(zhi)這一(yi)早(zao)已被宇宙(zhou)(zhou)結構(gou)形成(cheng)(cheng)理論(lun)(lun)所預言(yan)的(de)(de)(de)(de)現象，長期(qi)(qi)以來(lai)未能在觀測(ce)中(zhong)得到證實。該(gai)研(yan)究團隊借助矮星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)這一(yi)特殊星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)族(zu)群，首次為(wei)暗(an)暈(yun)(yun)(yun)(yun)集(ji)(ji)聚偏置(zhi)的(de)(de)(de)(de)理論(lun)(lun)預言(yan)提供(gong)了(le)(le)高置(zhi)信(xin)度的(de)(de)(de)(de)觀測(ce)支持。
然而，“年老暗(an)(an)暈中形(xing)(xing)成彌(mi)散(san)矮星系(xi)(xi)”這一(yi)新的觀測發現(xian)(xian)(xian)，無法在(zai)現(xian)(xian)(xian)有標準冷暗(an)(an)物質(zhi)（CDM）宇(yu)宙(zhou)學(xue)框架的星系(xi)(xi)形(xing)(xing)成模(mo)(mo)型(xing)中得到(dao)解釋。該研究團隊考察了(le)一(yi)系(xi)(xi)列主流星系(xi)(xi)形(xing)(xing)成模(mo)(mo)型(xing)，發現(xian)(xian)(xian)其均給出了(le)和(he)觀測發現(xian)(xian)(xian)顯著(zhu)不(bu)(bu)同甚(shen)(shen)至相(xiang)反(fan)的結論。這暗(an)(an)示(shi)了(le)現(xian)(xian)(xian)有結構形(xing)(xing)成理論中重(zhong)子物理甚(shen)(shen)至暗(an)(an)物質(zhi)模(mo)(mo)型(xing)和(he)真實宇(yu)宙(zhou)之間有著(zhu)不(bu)(bu)可調和(he)的矛盾。
暗(an)(an)(an)(an)物(wu)質(zhi)的(de)(de)(de)本質(zhi)是懸而未決的(de)(de)(de)世紀(ji)科學(xue)難題。過去，利用(yong)星(xing)系(xi)結(jie)構(gou)約束暗(an)(an)(an)(an)物(wu)質(zhi)模型(xing)以及參數空間已(yi)被(bei)廣(guang)泛運(yun)用(yong)于天體物(wu)理學(xue)研(yan)究(jiu)。該研(yan)究(jiu)團隊(dui)創新地(di)引入(ru)了(le)星(xing)系(xi)空間分布模式這一觀測統計量，為(wei)暗(an)(an)(an)(an)物(wu)質(zhi)本質(zhi)提供(gong)了(le)獨立的(de)(de)(de)約束方(fang)案。該研(yan)究(jiu)團隊(dui)發(fa)現，相比于CDM中(zhong)星(xing)系(xi)形(xing)成(cheng)(cheng)模型(xing)的(de)(de)(de)困難，自(zi)(zi)相互作(zuo)用(yong)暗(an)(an)(an)(an)物(wu)質(zhi)（SIDM）可以自(zi)(zi)然地(di)導致(zhi)“年老暗(an)(an)(an)(an)暈(yun)中(zhong)形(xing)成(cheng)(cheng)彌(mi)散矮(ai)星(xing)系(xi)”這一反常現象（圖1右）：年老的(de)(de)(de)暗(an)(an)(an)(an)暈(yun)中(zhong)，暗(an)(an)(an)(an)物(wu)質(zhi)自(zi)(zi)相互作(zuo)用(yong)導致(zhi)更(geng)多的(de)(de)(de)“熱量”注入(ru)暗(an)(an)(an)(an)暈(yun)核心(xin)，使暗(an)(an)(an)(an)暈(yun)核心(xin)結(jie)構(gou)膨脹；這一過程可顯著削(xue)減暗(an)(an)(an)(an)暈(yun)核心(xin)處的(de)(de)(de)引力(li)場強(qiang)度，于是阻礙了(le)致(zhi)密星(xing)系(xi)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)。
該研究成(cheng)果(guo)首次從觀測上為(wei)暗(an)(an)暈集(ji)聚偏置提供高(gao)置信度支持，揭示了(le)(le)一種反常的(de)暗(an)(an)暈-星系關(guan)(guan)聯，暗(an)(an)示了(le)(le)標準冷(leng)暗(an)(an)物(wu)(wu)質宇宙結構形成(cheng)理(li)論的(de)潛在問題(ti)，為(wei)進一步(bu)探索暗(an)(an)物(wu)(wu)質本質提供了(le)(le)關(guan)(guan)鍵線索。
188bet足球博(bo)士后張子文(wen)(wen)、陳洋遙以(yi)及特任研究(jiu)員容昱為(wei)(wei)該論文(wen)(wen)的共同第(di)一作者，王慧元教授為(wei)(wei)通(tong)訊作者。該研究(jiu)得到(dao)了國家自然科學基(ji)金委、中國科學院、中國博(bo)士后基(ji)金和唐(tang)仲英基(ji)金的支持(chi)。
論文鏈接：//www.nature.com/articles/s41586-025-08965-5
（天(tian)文學系、科(ke)研部）
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