到哪里去寻找暗物质?

[ 录入者:zhoumeichun | 时间:2008-11-16 13:02:28 | 作者: | 来源: | 浏览:2072次 ]

原文标题:Supercomputers predict where to look to see the Dark Matter

原文来自:Max-Planck-Institut fur Astrophysik    Posted: 2008. 11. 5

编译:Melipal   审校:Linq (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

由马克斯—普朗克天体物理研究所的 Volker Springel领导的 国际天体物理学家小组,使用欧洲规模最大的 超级计算机进行的 模拟将告诉NASA,最新的 空间天文台应该去哪里寻找充斥着宇宙的 神秘暗物质?(2008年11月6日《自然》杂志)

几个月来,费米望远镜已经利用伽玛射线测绘了天空。伽玛射线是辐射的 一种,能量甚至比X射线还要高。在2年的 时间里,费米可能会探测到暗物质的 辉光,天文学家在四分之三个世纪以前首次探测到了它们的 引力作用,但虽然其明显占据了宇宙85%的 物质总量,现在它们仍旧顽固地摆脱了我们所有望远镜的 视野。大多数宇宙学家相信,暗物质是一类新的 基本粒子,尚未在地球上探测到(不过一旦能确定其磁矩,大型强子对撞机有可能提供线索)。在恰当的 条件下,这些粒子可能会产生足以让费米望远镜探测到的 伽玛射线。

但费米望远镜要对准何方才能看到暗物质的 伽玛射线踪迹呢?由德国、英国、加拿大与荷兰的 天体物理学家组成的 小组(室女座联盟,Virgo consortium)使用欧洲最大的 一台超级计算机模拟了类似银河系 的 星 系 周围形成的 暗物质结构。这样的 “暗物质晕”比我们的 太阳要重上万亿倍,是宇宙结构的 基本单元。

fig1-s.jpg

图1:在模拟生成的 银河系 尺度暗物质晕中的 投影暗物质。无数的 暗物质子团块包裹在星 系 晕的 维里化区域中。它们致密的 核心因为暗物质粒子的 湮灭而发出高能伽玛射线。(图片提供:MPA)

室女座联盟小组进行的 模拟表明了银河系 的 晕是如何从一系 列的 狂乱碰撞与大爆炸时出现的 上百万个小团块的 并合中成长起来的 。其中的 大多数都在形成的 过程中被瓦解了,但有一些保存了下来,其中最大的 那些窝藏了银河系 的 卫星 系 ,如为人熟知的 大麦哲伦云与小麦哲伦云,或是人马座矮星 系 。其他的 团块太小,不足以形成任何恒星 ,但根据理论预言,仍旧存在于银河系 的 晕中,迄今没有被任何望远镜发现。

 

fig2-s.jpg

图2:由银河系 的 暗物质晕中暗物质粒子湮灭产生的 暗淡伽玛射线辉光的 全天图。由于距离太阳较近,银心是最为明亮、同时也是延展范围最大的 源。这使其比其他分布在天空中的 任何小型暗物质团块更易于被发现。如果其中的 一个可以被探测到,它可能不含有任何恒星 。(图片提供:MPA)

伽玛射线产生于暗物质密度高的 区域,粒子彼此碰撞,并在一团辐射中发生湮灭。许多宇宙学家指出,费米望远镜应该去银河系 的 卫星 系 中寻找伽玛射线,理由是卫星 系 的 中心密度应该很高。室女座小组的 模拟说明,这里并不是最佳的 观测目标。他们仔细的 计算表明,迄今最容易探测的 信号应该是来自银河系 在太阳以内银心以外的 那部分的 。对于费米望远镜来说,径直观测银心是个坏主意,因为存在将信号与来自其他源(如超新星 遗迹或是产星 气体云)的 伽玛射线相混淆的 风险。实际上,室女座小组建议,观测距离银心10至30度的 地方,他们预言说,这里的 暗物质会发出平滑而带有特征的 伽玛射线辐射。

如果费米望远镜确实在银河系 平滑的 内晕探测到了预言中的 辐射,那么如果我们幸运的 话,还可以看到来自恰巧距离太阳极近的 小型暗物质团块(用其他手段看不到它们)。这些团块比主晕要暗得多,但可能仍旧能够探测到。已知的 卫星 系 可能在伽玛射线波段也是可见的 ,虽然其较远的 距离让它们更难探测。

数十年来,对暗物质的 探求支配着宇宙学届。也许这一局面很快就会结束了。

规模最大的 模拟花费了350万处理器小时才完成。Volker Springel负责通过机器管理计算,他说:“有时我觉得这永远不会结束。”

马普所的 负责人Simon White教授评价道:“这些计算最终得以让我们看到太阳附近暗物质的 分布是什么样子的 ,我们可能有探测到它的 机会。”计算宇宙学研究所的 负责人Carlos Frenk教授说:“解开暗物质之谜将成为我们这个时代最伟大的 科学成就之一。引人注目的 是,在这样的 重大科学问题上,现在哪怕是理论方面的 进展都是由我们这样的 国际合作来完成的 。”

模拟由欧洲3台最大的 超级计算机完成:

- 主要的 模拟工作使用Leibniz-Rechenzentrum München(LRZ)超级计算机完成
- 达拉谟大学计算宇宙学研究所的 宇宙学机器
- 格罗宁根大学LOFAR计划的 STELLA超级计算机

(全文完)

Tags:

责任编辑:zhoumeichun

本周热点

在新窗口打开 实际大小 关闭 鼠标滚轮缩放图片

loading.