暗物质与暗能量的互动：揭示宇宙晕旋转与排列的奥秘

中国科学院上海天文台的研究人员进行的一项宇宙学模拟研究首次系统地揭示了暗物质与暗能量之间的相互作用如何显著影响宇宙中暗物质晕的旋转和形状的排列。

这项研究于11月19日刊登在Physical Review D上，为我们理解大规模宇宙结构的形成提供了新的视角，并为解释未来天空调查项目（如中国空间站望远镜（CSST））的观测数据打下了重要基础。

对标准宇宙学模型的挑战

尽管当前描述宇宙的宇宙学常数和冷暗物质（ΛCDM）模型取得了很大成功，但仍然面临一些观测上的挑战，例如哈勃张力和S8张力。相互作用的暗物质-暗能量（IDE）模型是解决这些问题的候选理论之一。在该模型中，暗物质和暗能量并不是独立演化的，而是进行相互的能量转移。

研究人员调查了两种典型的 IDE 场景：在 IDE I 模型中，暗物质衰变并转变为暗能量；而在 IDE II 模型中，过程相反，暗能量转变为暗物质。这两个过程改变了暗物质粒子的有效质量，从而深远影响了暗物质晕的形成历史和动力学特性。

模拟方法和关键发现

团队利用一个名为 ME-GADGET 的专门 N 体数值模拟程序，在两种 IDE 模型和标准 ΛCDM 模型下进行高精度的宇宙结构形成模拟。

通过数值模拟，他们发现，在暗物质衰变的 IDE I 模型中，暗物质晕的形状与周围宇宙丝状结构的潮汐场方向之间的形状对齐的一致性显著强于 ΛCDM 模型。在暗物质繁殖的 IDE II 模型中，他们发现了相反的趋势：形状对齐减弱的现象。

“实际上理解这一变化很简单，”研究的通讯作者张家俊说。“当暗物质转化为暗能量时，晕圈变得更加松散，因此更容易受到环境的影响，而暗能量转化为暗物质则有相反的效果。

“这就像在比较两个人：如果一个人定期锻炼，肌肉结实，他们的活动更加自如，并且有足够的力量抵抗重力。另一个人没有适当锻炼，体重主要来自脂肪，所以在重力作用下，他们显然更容易瘫倒在沙发上。这项研究不仅揭示了宇宙中暗物质的分布模式，还提醒我们关注锻炼，将更多脂肪转化为肌肉来保持健康。”

对未来观测的影响

从观测的角度来看，这项研究首次详细描绘了IDE宇宙学中内在对齐信号（IA）。IA是弱引力透镜观测中的一个重要的系统误差来源，源于星系形状之间，以及星系与大规模宇宙结构之间的非随机排列。

在未来，对于像 CSST 这样的规模较大的弱引力透镜调查，IA 效应的精确校准是成功约束宇宙学参数的前提，特别是在探测暗物质和暗能量的特性方面。

“我们的研究为构建更精确的 IA 校准模型打下了必要的物理基础和提供了拟合公式，这些模型包括 IDE 效应。这将直接帮助我们从未来的 CSST 数据中提取更清晰的宇宙学信号，”张说。

更多详情： Guandi Zhao 等，交互作用的暗物质和暗能量宇宙学中的光晕自旋与方向，Physical Review D (2025)。 DOI: 10.1103/lq8t-gw3m。在 arXiv 平台上：DOI: 10.48550/arxiv.2501.03750