“黑暗”神秘不再！借助超级计算机模拟宇宙演化，暗物质“真身”或将无所遁形

为了解暗物质，科学家们付出的心血和努力难以估量，对其研究甚至可以追溯到 137 亿年前的宇宙之初。

2021 未来科学大奖周-科学峰会期间，DeepTech 深科技就如何借助计算机模拟探测暗物质与王杰进行了探讨。

暗物质概念“存在即合理”

宇宙是由什么构成的？它又是怎样进行运动和演化的？千百年来，这些问题一直困扰着人类科学家。

据现代宇宙学模型得知，“宇宙中约 85% 的物质成分是暗物质，它的物质属性和构成人类世界的普通物质截然不同。”

暗物质的猜想和理论首次提出是在 20 世纪 20 年代初，当时荷兰天文学家雅克布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn）通过一些星系运动的异常现象，推测出星系周围可能存在不可见的物质，从而提出“暗物质”概念。

正如名字一样，暗物质如同“幽灵”般隐藏在黑暗中，既不反射也不会主动****光线，想要直接探测到它是一件很困难的事情。可以说，这种神秘的物质对科学家们了解宇宙带来重大挑战。

暗物质对人类来说意义重大，如果离开了暗物质，河外星系的旋转曲线以及宇宙的演化历史将很难得到解释，从这个角度来看，人类需要暗物质概念的存在。

“我们不知道暗物质具体是什么，但是我们可以假定它是什么。”王杰表示，“这其实是一个不断排除中的选择题”。正如人类之前假定中微子是暗物质，但现在它已经被从候补名单中剔除，因为如果中微子是暗物质，很多问题将无法得到解释。

暗物质或是人类物理学下一个突破口

过去的几十年里，人类对于整个宇宙的认识已取得突飞猛进的突破，众多的天文观测数据也在向我们彰显着暗物质的存在。但事实上，暗物质的属性仍然是个未解之迷，甚至直到现在，科学家都一直没能成功直接检测到宇宙里的暗物质。

不过，反向思考的话，这也意味着人们对暗物质的研究将极有可能孕育出新物理的重****现，并对未来的基础科学发展产生重要的影响。

“就像量子力学诞生之前，人类不知道量子力学的存在一样，暗物质研究一旦出现突破，其震撼效应将是无法估量的，人类认知或将提高一个新的层次，这就是研究暗物质的意义。”王杰表示。

当前，人类对于暗物质的研究，大多还停留在“观测”阶段。而想要真正地了解暗物质，切实的探测手段是不可或缺的。

王杰指出，对于暗物质，目前常见的探测途径有直接探测、间接探测和对撞机探测三种方式。

其中，对撞机探测方式是在粒子对撞实验中产生暗物质，但这种方式对加速器有很高的要求。由于加速器的技术复杂度以及高昂的造价，以目前主流的加速器能级来说，依然未能发现任何暗物质粒子的迹象，因此具有相当大的局限性。

直接探测主要是利用暗物质发生作用后的一些痕迹或者现象。这类探测通常是在地下进行，比如中国的锦屏山地下实验室。该实验室是中国第一个地下极深暗物质探测实验室，可有效屏蔽来自宇宙射线的干扰，使得暗物质探测器的探测结果更加干净和精准。

此外，还有一种间接探测的方式，即利用天体的物理效应。当暗物质粒子在宇宙发生湮灭后，其会产生伽玛射线、正电子、反质子、中微子等稳定粒子，此时，我们便可通过光学望远镜来发现暗物质的“蛛丝马迹”。

所以，现在一般都会将粒子对撞的探测方法与直接或间接的探测方法相结合，从而达到最好的探测效果。

超级计算机助力“窥见”暗物质

超级计算机在人类研究暗物质的过程中发挥着不可替代的作用。

未来科学大奖周上，王杰在《超级计算机里的宇宙》的演讲中指出，通过数值模拟，超级计算机可以模拟出不同宇宙学模型的演化，从而在与观测得到的星系巡天数据的对比中，明确了现在以暗物质、暗能量为主导的“双暗”标准宇宙学模型。

换句话说，尽管暗物质的本质难以明确，但我们对暗物质并非一无所知。这其中，复杂的计算机模拟便是我们了解暗物质的一种方式。

去年，王杰团队通过超级计算机，采用一种全新的多重放大模拟技术，最终在全部质量尺度上解析了暗晕内部结构并获得高清图。暗晕是暗物质受引力塌缩，形成的结构体，该研究从最小的类似地球质量大小到具有最大质量的超级星系团，跨越 20 个数量级，但图像都达到了相当的精度。

“对于天文学而言，观测设备是根本，有设备和没有设备的差距可谓天壤之别，不同的模型预测的暗晕大小也是不一样的。”王杰表示。

借助计算机模拟，人类将可以直观的“窥见”暗物质在宇宙中的分布和演化，并进一步认识宇宙中的结构是如何形成的，包括大尺度结构、暗晕以及星系等。

从硕士研究生开始，王杰便一直专注于天文学研究。对此，王杰表示，对天文学的热爱起始于自己的好奇心，正是在好奇心的驱使下，才不断推动着他向前迈步。

此外他也提到，“我们不能一味等待，而是要主动把握机遇。以我模拟地球大小质量暗晕的案例来说，如果等待超级计算机来完成模拟任务，可能还需要再等待四五十年，这时就需要我们开发新的研究思路。”

科技发达的今天，暗物质仍然是现代天文学中最大的谜团之一。未来，王杰希望继续以好奇心为驱动力，在暗物质研究的应用方面做出更多的探索。

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