你想象過(guò)暗物質(zhì)和暗能量在“交流”什么嗎？這里有一個(gè)有趣的答案。

宇宙的大部分由兩種看不見(jiàn)的神秘物質(zhì)組成：暗物質(zhì)和暗能量。它們共同塑造了星系的成長(zhǎng)與宇宙的膨脹方式。

多年來(lái)，天文學(xué)家一直依賴ΛCDM模型（冷暗物質(zhì)模型）來(lái)描述這兩種成分的作用機(jī)制。

該模型假設(shè)暗物質(zhì)和暗能量互不干擾、獨(dú)立運(yùn)行。這一理論雖取得巨大成功，但仍難以解釋部分觀測(cè)現(xiàn)象，且某些測(cè)量數(shù)據(jù)之間存在矛盾。

近日，上海天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)提出新發(fā)現(xiàn)：宇宙可能比ΛCDM模型描述的更具動(dòng)態(tài)性。研究表明，若暗物質(zhì)與暗能量能交換能量，包裹星系的巨型結(jié)構(gòu)——暗物質(zhì)暈的形狀、旋轉(zhuǎn)與排列方式將產(chǎn)生可觀測(cè)的變化。

這一發(fā)現(xiàn)或幫助科學(xué)家更深入理解宇宙網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并為解析中國(guó)空間站望遠(yuǎn)鏡等未來(lái)探測(cè)任務(wù)的數(shù)據(jù)提供新思路。

探索ΛCDM之外的宇宙

為驗(yàn)證猜想，團(tuán)隊(duì)使用ME-GADGET程序構(gòu)建數(shù)字宇宙模型進(jìn)行精細(xì)計(jì)算機(jī)模擬。

研究對(duì)比了三種情景：其一為傳統(tǒng)的ΛCDM模型（暗物質(zhì)與暗能量互不影響）；其二為暗物質(zhì)緩慢轉(zhuǎn)化為暗能量的交互暗能量模型；其三為暗能量轉(zhuǎn)化為暗物質(zhì)的交互模型。交互暗能量模型的核心在于暗物質(zhì)與暗能量隨時(shí)間推移進(jìn)行能量交換。

這種能量交換會(huì)改變暗物質(zhì)暈在宇宙演化過(guò)程中的質(zhì)量狀態(tài)。模擬結(jié)果顯示，根據(jù)作用方式的不同，暗物質(zhì)暈的行為會(huì)產(chǎn)生顯著差異：

當(dāng)暗物質(zhì)轉(zhuǎn)化為暗能量時(shí)，暗暈結(jié)構(gòu)會(huì)變得松散、結(jié)合度降低。因其密度減小，更易受周圍宇宙環(huán)境引力影響，其形狀與鄰近宇宙纖維結(jié)構(gòu)的排列趨向一致。

反之，當(dāng)暗能量轉(zhuǎn)化為暗物質(zhì)時(shí)，暗暈會(huì)變得更致密緊湊。這種穩(wěn)定性使其更難被外界影響，其與宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的排列關(guān)聯(lián)性相應(yīng)減弱。

研究作者之一張家軍比喻道：“這好比兩個(gè)人：堅(jiān)持鍛煉者肌肉緊實(shí)，能自由活動(dòng)并有足夠力量抵抗重力；而缺乏鍛煉者以脂肪為主，在重力作用下顯然更容易癱倒在沙發(fā)上。”

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)弱引力透鏡測(cè)量至關(guān)重要。星系排列（亦稱內(nèi)稟排列）是該技術(shù)的最大挑戰(zhàn)之一——若科學(xué)家誤解星系排列規(guī)律，就可能誤判物質(zhì)彎曲光線的信號(hào)。本研究首次繪制了暗物質(zhì)與暗能量交互宇宙中的內(nèi)稟排列圖譜，為未來(lái)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)提供了規(guī)避誤差的重要工具。

破解宇宙謎題的新路徑

研究表明，若暗物質(zhì)與暗能量確實(shí)存在能量交換，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)出與ΛCDM預(yù)測(cè)不同的形態(tài)。

捕捉這些差異既能解釋部分天文測(cè)量的矛盾結(jié)果，也有助于更清晰地描繪宇宙演化圖景。

當(dāng)然，當(dāng)前模擬僅聚焦暗物質(zhì)，尚未納入氣體、恒星等普通物質(zhì)。真實(shí)星系包含諸多復(fù)雜過(guò)程，下一步研究將整合這些細(xì)節(jié)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與直接觀測(cè)進(jìn)行比對(duì)。團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃優(yōu)化用于修正大型巡天項(xiàng)目（特別是中國(guó)空間站望遠(yuǎn)鏡任務(wù)）內(nèi)稟排列偏差的計(jì)算公式。

該研究成果已發(fā)表于《物理評(píng)論D》期刊。

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