“黑暗”神秘不再！借助超級計算機模擬宇宙演化，暗物質(zhì)“真身”或將無(wú)所遁形

為了解暗物質(zhì)，科學(xué)家們付出的心血和努力難以估量，對其研究甚至可以追溯到 137 億年前的宇宙之初。

2021 未來(lái)科學(xué)大獎周-科學(xué)峰會(huì )期間，DeepTech 深科技就如何借助計算機模擬探測暗物質(zhì)與王杰進(jìn)行了探討。

暗物質(zhì)概念“存在即合理”

宇宙是由什么構成的？它又是怎樣進(jìn)行運動(dòng)和演化的？千百年來(lái)，這些問(wèn)題一直困擾著(zhù)人類(lèi)科學(xué)家。

據現代宇宙學(xué)模型得知，“宇宙中約 85% 的物質(zhì)成分是暗物質(zhì)，它的物質(zhì)屬性和構成人類(lèi)世界的普通物質(zhì)截然不同?！?br />
暗物質(zhì)的猜想和理論首次提出是在 20 世紀 20 年代初，當時(shí)荷蘭天文學(xué)家雅克布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn）通過(guò)一些星系運動(dòng)的異?，F象，推測出星系周?chē)赡艽嬖诓豢梢?jiàn)的物質(zhì)，從而提出“暗物質(zhì)”概念。

正如名字一樣，暗物質(zhì)如同“幽靈”般隱藏在黑暗中，既不反射也不會(huì )主動(dòng)****光線(xiàn)，想要直接探測到它是一件很困難的事情?？梢哉f(shuō)，這種神秘的物質(zhì)對科學(xué)家們了解宇宙帶來(lái)重大挑戰。

暗物質(zhì)對人類(lèi)來(lái)說(shuō)意義重大，如果離開(kāi)了暗物質(zhì)，河外星系的旋轉曲線(xiàn)以及宇宙的演化歷史將很難得到解釋?zhuān)瑥倪@個(gè)角度來(lái)看，人類(lèi)需要暗物質(zhì)概念的存在。

“我們不知道暗物質(zhì)具體是什么，但是我們可以假定它是什么?！蓖踅鼙硎?，“這其實(shí)是一個(gè)不斷排除中的選擇題”。正如人類(lèi)之前假定中微子是暗物質(zhì)，但現在它已經(jīng)被從候補名單中剔除，因為如果中微子是暗物質(zhì)，很多問(wèn)題將無(wú)法得到解釋。

暗物質(zhì)或是人類(lèi)物理學(xué)下一個(gè)突破口

過(guò)去的幾十年里，人類(lèi)對于整個(gè)宇宙的認識已取得突飛猛進(jìn)的突破，眾多的天文觀(guān)測數據也在向我們彰顯著(zhù)暗物質(zhì)的存在。但事實(shí)上，暗物質(zhì)的屬性仍然是個(gè)未解之迷，甚至直到現在，科學(xué)家都一直沒(méi)能成功直接檢測到宇宙里的暗物質(zhì)。

不過(guò)，反向思考的話(huà)，這也意味著(zhù)人們對暗物質(zhì)的研究將極有可能孕育出新物理的重****現，并對未來(lái)的基礎科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。

“就像量子力學(xué)誕生之前，人類(lèi)不知道量子力學(xué)的存在一樣，暗物質(zhì)研究一旦出現突破，其震撼效應將是無(wú)法估量的，人類(lèi)認知或將提高一個(gè)新的層次，這就是研究暗物質(zhì)的意義?！蓖踅鼙硎?。

當前，人類(lèi)對于暗物質(zhì)的研究，大多還停留在“觀(guān)測”階段。而想要真正地了解暗物質(zhì)，切實(shí)的探測手段是不可或缺的。

王杰指出，對于暗物質(zhì)，目前常見(jiàn)的探測途徑有直接探測、間接探測和對撞機探測三種方式。

其中，對撞機探測方式是在粒子對撞實(shí)驗中產(chǎn)生暗物質(zhì)，但這種方式對加速器有很高的要求。由于加速器的技術(shù)復雜度以及高昂的造價(jià)，以目前主流的加速器能級來(lái)說(shuō)，依然未能發(fā)現任何暗物質(zhì)粒子的跡象，因此具有相當大的局限性。

直接探測主要是利用暗物質(zhì)發(fā)生作用后的一些痕跡或者現象。這類(lèi)探測通常是在地下進(jìn)行，比如中國的錦屏山地下實(shí)驗室。該實(shí)驗室是中國第一個(gè)地下極深暗物質(zhì)探測實(shí)驗室，可有效屏蔽來(lái)自宇宙射線(xiàn)的干擾，使得暗物質(zhì)探測器的探測結果更加干凈和精準。

此外，還有一種間接探測的方式，即利用天體的物理效應。當暗物質(zhì)粒子在宇宙發(fā)生湮滅后，其會(huì )產(chǎn)生伽瑪射線(xiàn)、正電子、反質(zhì)子、中微子等穩定粒子，此時(shí)，我們便可通過(guò)光學(xué)望遠鏡來(lái)發(fā)現暗物質(zhì)的“蛛絲馬跡”。

所以，現在一般都會(huì )將粒子對撞的探測方法與直接或間接的探測方法相結合，從而達到最好的探測效果。

超級計算機助力“窺見(jiàn)”暗物質(zhì)

超級計算機在人類(lèi)研究暗物質(zhì)的過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。

未來(lái)科學(xué)大獎周上，王杰在《超級計算機里的宇宙》的演講中指出，通過(guò)數值模擬，超級計算機可以模擬出不同宇宙學(xué)模型的演化，從而在與觀(guān)測得到的星系巡天數據的對比中，明確了現在以暗物質(zhì)、暗能量為主導的“雙暗”標準宇宙學(xué)模型。

換句話(huà)說(shuō)，盡管暗物質(zhì)的本質(zhì)難以明確，但我們對暗物質(zhì)并非一無(wú)所知。這其中，復雜的計算機模擬便是我們了解暗物質(zhì)的一種方式。

去年，王杰團隊通過(guò)超級計算機，采用一種全新的多重放大模擬技術(shù)，最終在全部質(zhì)量尺度上解析了暗暈內部結構并獲得高清圖。暗暈是暗物質(zhì)受引力塌縮，形成的結構體，該研究從最小的類(lèi)似地球質(zhì)量大小到具有最大質(zhì)量的超級星系團，跨越 20 個(gè)數量級，但圖像都達到了相當的精度。

“對于天文學(xué)而言，觀(guān)測設備是根本，有設備和沒(méi)有設備的差距可謂天壤之別，不同的模型預測的暗暈大小也是不一樣的?！蓖踅鼙硎?。

借助計算機模擬，人類(lèi)將可以直觀(guān)的“窺見(jiàn)”暗物質(zhì)在宇宙中的分布和演化，并進(jìn)一步認識宇宙中的結構是如何形成的，包括大尺度結構、暗暈以及星系等。

從碩士研究生開(kāi)始，王杰便一直專(zhuān)注于天文學(xué)研究。對此，王杰表示，對天文學(xué)的熱愛(ài)起始于自己的好奇心，正是在好奇心的驅使下，才不斷推動(dòng)著(zhù)他向前邁步。

此外他也提到，“我們不能一味等待，而是要主動(dòng)把握機遇。以我模擬地球大小質(zhì)量暗暈的案例來(lái)說(shuō)，如果等待超級計算機來(lái)完成模擬任務(wù)，可能還需要再等待四五十年，這時(shí)就需要我們開(kāi)發(fā)新的研究思路?！?br />
科技發(fā)達的今天，暗物質(zhì)仍然是現代天文學(xué)中最大的謎團之一。未來(lái)，王杰希望繼續以好奇心為驅動(dòng)力，在暗物質(zhì)研究的應用方面做出更多的探索。

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