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（A）宇宙中我们邻近区域——即所谓的本星系群——的暗物质分布。两个大型暗物质晕分别对应银河系和仙女座星系的暗物质晕；（B）对大爆炸后约7亿年时一个小暗物质晕内部及周围暗物质的放大视图；（C1和C2）在早期宇宙条件的两种不同模型下，位于图B中小暗物质晕中心的模拟超暗矮星系中的恒星和气体物质。我们可以看到超暗矮星系的性质如何随模型不同而变化。每张图像的比例尺单位为光年。图片来源：J苏雷达A法塔希S布朗S亚伯拉罕

围绕银河系运行的小型星系可能藏有宇宙学最大谜团之一的线索。

超暗矮星系是已知围绕银河系运行的最小星系之一。天文学家长期以来一直将它们视为早期宇宙的古老遗迹。现在，奥斯卡克莱因中心和LYRA合作项目的研究人员利用一套强大的新模拟系统表明，这些暗淡的星系或许能揭示早期宇宙的条件如何决定了哪些星系能够成长，哪些星系根本从未形成过恒星。

这项发表在《皇家天文学会月刊》（MNRAS）上的研究由奥斯卡克莱因中心（OKC）的副教授阿扎德法塔希牵头，合作者来自杜伦大学和夏威夷大学。

她解释了该项目的规模：在这项研究中，我们提出了一套全新的宇宙学模拟套件，专注于宇宙中最暗淡的星系，其分辨率前所未有。这是迄今为止在该分辨率下模拟的此类星系的最大样本。

处于认知边缘的微小星系

矮星系比银河系小得多，形成于标准宇宙学模型所预测的小型暗物质晕内部。最暗淡的矮星系极其脆弱，处于科学家目前对星系形成和暗物质理解的边缘。

法塔希说：最小的星系被称为超暗矮星系，其质量比银河系小一百万倍甚至更小。由于体积小，这些星系被证明很难建模和模拟。

阿扎德法塔希，斯德哥尔摩大学奥斯卡克莱因中心及物理系副教授。图片来源：塞缪尔亚伯拉罕

新的模拟为研究人员提供了一幅关于这些星系在宇宙历史中如何形成的更清晰、更系统的图景。

一个有用的类比是植物和农作物及其生长方式对天气条件的敏感性，肖恩布朗表示，他在OKC和杜伦大学工作期间领导了这项研究。正如夏季农作物的产量能间接反映出春季的天气状况一样，如今的暗矮星系特性可以告诉我们许多关于宇宙早期条件（或称‘宇宙天气’）的信息。

一扇通往早期宇宙的窗口

这些模拟尤其重要，因为它们不仅能重建暗淡的矮星系，还表明这些邻近天体可以揭示宇宙早期环境的信息。研究团队测试了关于早期辐射条件的不同观点如何影响小型暗物质晕能否形成恒星。

布朗解释道：在论文中，我们研究了关于早期宇宙（当时年龄不足5亿年）性质的两种不同假设，以了解其对如今宇宙（年龄为130亿年）中这些小型星系性质的影响。

结果显示在最小的星系中存在强烈的效应。

我们发现这些小型超暗星系对这些变化非常敏感，而像银河系这样质量更大的星系则不太在意，他补充道，对于最小的星系来说，早期条件可以决定它们是成为可见星系，还是保持无星暗物质晕的状态。

这种灵敏度有助于科学家通过未来的观测来验证关于早期宇宙物理学的理论。

法塔希表示：令人兴奋的是，在不久的将来，我们将获得薇拉C鲁宾天文台的数据，该天文台将能在银河系周围发现更多这类超暗矮星系。

未来的观测可能会检验这一理论

天文学家希望维拉C鲁宾天文台能发现银河系几乎所有的卫星星系。根据这项新研究，这些发现也可能让人们深入了解大爆炸后不久存在的状况。

我们的研究表明，这些即将进行的对极本地宇宙的观测将能够限制宇宙在其婴儿期的样子，这是我们目前无法通过其他观测直接获取的信息。

这些发现还与詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的近期发现有关，该望远镜在早期宇宙中探测到了出乎意料的大质量且明亮的星系。

法塔希指出：这一结果与詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）近期在早期宇宙中发现星系的情况尤为相关，该望远镜正带来许多惊喜，尤其是在早期宇宙中发现了出乎意料的大质量且明亮的星系。

如果遥远星系正在挑战关于早期宇宙的现有理论，那么附近的超暗矮星系或许能提供另一种方法来研究那个时期发生了什么。

大规模模拟以及未来的问题

研究如此暗淡的星系需要强大的计算能力。

法塔希表示：进行这些模拟具有挑战性，而且在时间和计算资源上都极其昂贵。

总的来说，这些模拟运行了六个多月。它们还产生了大量的数据。

该模拟还产生了大量数据（总计约300TB）。这意味着许多为处理较小数据量而设计的旧算法需要更新和改进，以便有效处理这种新的大量数据。

大部分工作是在COSMA8上完成的，这是一台为基于模拟的研究而建造的超级计算机。COSMA8由杜伦大学计算宇宙学研究所代表英国DiRAC高性能计算设施托管。

法塔希的团队计划利用这套模拟工具探索星系和结构形成领域中尚未解决的重大问题。这些问题包括宇宙中第一代恒星可能存在于何处，以及超暗矮星系能揭示暗物质的哪些本质。

参考ShaunTBrown、AzadehFattahi、ThalesAGutcke、SylviaPloeckinger、JoaquinSureda、SownakBose、JessicaEDoppel、RüdigerPakmor及AdrianJenkins的《早期莱曼沃纳背景下微弱矮星系的形成》，2024年4月27日，《皇家天文学会月刊》。DOI10.1093mnrasstag439

相关知识

超暗矮星系是亮度极低、以暗物质为主导的小型星系，多分布在大星系（如银河系）周围。它们恒星数量少、表面亮度弱，难以被观测，但其暗物质占比极高，是研究暗物质性质、星系形成与演化的重要对象，为理解宇宙结构提供关键线索。

BY: Stockholm University

FY: AI

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