巨大的“长城”是否宣告了“热暗物质”的胜利?很多科学家已经这么认为了,只是需要计算的证据支持。然而“长城”和“空洞”这样的复杂结构的性质非常难以通过传统的解析方法精确计算和描述。Marc.Davis和他的新合作者Simon.White以及Carlos.Frenk打算利用计算机来解决问题。他们将采用一种被称作“N体数值模拟”的数值计算方法。顾名思意,N体数值模拟跟踪一大群虚拟粒子随时间的演化。每个虚拟粒子代表宇宙中的一团物质,粒子相互之间由引力作用联系。在计算开始的时候,粒子近乎均匀的分部在虚拟空间的各处,随着时间的演化,在引力的拉扯中聚集。这类似于在计算机里建立一个小宇宙。如果采用了正确的模型,当计算结束的时候,虚拟粒子空间结构应该能很好的和真实宇宙的结构对应。
问题是即使使用计算机,N体数值模拟依然是非常复杂的课题。Davis、White和Frenk很长一段时间无法写出能够完美运算的程序。正当三个天文学家头疼的时候,转机突现。 Davis和White认识的一位英国理论物理学家,George Efstathiou改造了用于凝聚态物理的计算机程序,使其可以用于解决引力作用下的N体演化问题。经过沟通,四位科学家决定用这套程序来解决宇宙结构形成问题。
在这个特殊的时间点,热暗物质(或者中微子)看上去太像是一切问题的答案。然而结果却出乎科学家们意料。“长城”和“空洞”状的结构确实形成了,但在这个宇宙中产生了太多的大尺度结构和巨型空洞。同时,因为热暗物质的动能太高,相对小尺度的结构——星系,却无法在模拟中生成。如果一定要通过调节计算参数使得星系形成,那么星系的密集程度将远远超过观测所见。“也许我们应该试试冷暗物质模型,虽然也许它也无法解决问题。”Carlos Frenk提议。神奇的事情发生了,在计算机模拟的冷暗物质宇宙中,星系尺度的物质团块率先形成,星系团、空洞、长城也都随着时间演化显现出来。这一次,科学家找到了正确的道路。在假设宇宙空间平坦的数值模拟中,计算出的大尺度结构分部看起来和星系巡天观测十分相似。
数值模拟的结果发表在1983年到1988年的一系列文章中。DEFW四人组干净利落的解决了冷暗物质与热暗物质之争论,展示了在暗物质主导下的结构形成图景。在此之后,计算机N体数值模拟成为了研究宇宙演化问题的标准理论工具。因为对宇宙结构演化理论的巨大贡献,DEFW四人组平分了2011年度的Gruber宇宙学奖(50万美元)。
5 冷暗物质是否是最终答案?
新的问题仍然在不断浮现。例如,根据银河系的动力学观测,天文学家们推算,银河系所在的暗晕大约是10000亿太阳质量。1993年考夫曼等人详细研究了星系的形成历史,发现这样的暗晕(其中包含银河系这样大的星系)中,应该至少存在100个质量大于100万太阳质量的卫星星系。可实际上,我们却只在银河系中观测到了10多个这样的卫星星系。在随后的一系列研究中,科学家们都得到了类似的结论。1999年,美国新墨西哥大学的Kylpin更是直接在文章标题中诘问“丢失的星系到哪去了”?这样的诘问中隐含着潜台词。大多数科学家们相信冷暗物质模型并没有错误,问题在于我们对星系形成过程了解不够。暗物质的结构形成仅仅由引力相互作用推动,可以用N体数值模拟来研究。但星系形成过程比暗物质晕的形成过程复杂的多,包含恒星形成,气体冷却,超星系爆发,星系中心超级黑洞吸积物质等一系列物理机制。这些过程很难再数值模拟中精确计算。科学家目前仍只能用一些经验规律,或者引入简单的假设来计算这些过程的影响。而这些气体物理过程对于子暗晕结构和卫星星系形成的影响也并未完全被搞清楚。例如宇宙紫外背景光子的存在可能会使得小暗晕中的恒星形成被抑制。而另一方面,超新星爆发则可能会把相当质量的气体推出暗晕的核心区域,从而使得暗晕的物质分布发生改变,变得更容易被潮汐作用打散。这种种的物理机制都可能是造成“星系丢失”的真正原因。
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