南加州大学领导的研究团队取得重要成果，他们开发出一种名为“COZMIC”的计算机模拟工具，该工具为天体物理学家提供了测试暗物质在银河系及其他星系中行为的机制。此外，团队还借助超级计算机创建了一系列银河系“双星系”模型。这些成果意义重大，有望助力科学家揭开暗物质这一宇宙最大谜团之一的面纱，要知道，这种看不见的物质约占宇宙中所有物质的85%。
南加州大学研究人员携手加州大学圣地亚哥分校、卡内基天文台及其他机构的团队展开合作研究。此次研究由南加州大学Dornsife文理学院的副教授、宇宙学家Vera Gluscevic主导。团队其他成员包括Ethan Nadler，他曾是南加州大学和卡内基天文台的博士后研究员，目前担任加州大学圣地亚哥分校的助理教授；此外，还有卡内基天文台的工作人员Andrew Benson。
他们将模拟项目命名为“COZMIC”，即“具有超出冷暗物质初始条件的宇宙学缩放模拟”（Cosmological Zoom-in Simulations with Initial Conditions beyond Cold Dark Matter）的缩写。
几十年来，科学家们一直知道暗物质的存在，但直到现在，他们还无法研究在暗物质和正常物质相互作用的宇宙中，星系是如何诞生和演化的。研究团队称，COZMIC使这成为可能。
关于COZMIC的开发以及该团队的研究成果，已于周一发表在美国天文学会出版的《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上。
科学家们知道暗物质是真实存在的，因为它影响着星系的运动和聚集方式。例如，星系的旋转速度如此之快，它们本应飞散开来，但实际上并没有。某种看不见的东西将它们聚集在一起；许多科学家认为暗物质正是关键所在——这一想法最早由瑞士研究人员Fritz Zwicky于1933年提出。从那时起，关于暗物质的研究就在不断发展。
暗物质很难研究，因为它不发射任何容易被探测到的光或能量。科学家们通过观察它对星系运动和结构的影响来研究暗物质。然而，这有点像研究一个人的影子，却无法详细观察投下影子的实际人物。
在这一系列研究中，研究团队采取了部署新的物理学的步骤——不仅仅是标准的粒子物理学和相对论——并对超级计算机进行编程，通过COZMIC创建非常详细的宇宙学模拟，以测试关于暗物质可能在做什么的不同想法。
“我们想测量这些粒子的质量和其他量子特性，我们还想测量它们如何与其他所有物质相互作用，”Gluscevic说，“有了COZMIC，我们diyici能够在完全不同的物理定律下模拟像我们自己这样的星系，并将这些定律与真实的天文观测结果进行测试。”
除了Gluscevic、Nadler和Benson之外，COZMIC背后的团队还包括加州大学河滨分校的Hai-Bo Yu；曾在加州大学河滨分校工作、现就职于中国科学院紫金山天文台的Daneng Yang；加州大学洛杉矶分校的Xiaolong Du；以及曾在南加州大学工作过的Rui An。
我们的模拟表明，对最小星系的观测可以用来区分暗物质模型，”Nadler说。
在使用COZMIC的研究中，科学家们考虑了以下几种暗物质行为情景：
台球模型：在一项研究中，每一个暗物质粒子在宇宙早期都会与质子碰撞，很像台球刚被推动时的样子。这种相互作用会平滑小尺度结构，并消除银河系中的卫星星系。这项研究还包括暗物质以高速运动的场景，以及暗物质由极低质量粒子组成的其他场景
混合模型：第二项研究是一个混合场景，其中一些暗物质粒子与普通物质相互作用，但另一些则穿过普通物质。
自相互作用模型：在第三项研究中，科学家们模拟了一个暗物质在宇宙诞生之初和今天都与自身相互作用的场景，这改变了整个宇宙历史中的星系形成。
Benson说，在运行这些模拟时，科学家们将新的物理学输入超级计算机，以产生一个其结构带有普通物质和暗物质之间相互作用特征的星系。
Gluscevic补充道：“尽管许多以前的模拟系列已经探索了暗物质质量或自相互作用的影响，但直到现在，还没有人模拟过暗物质与普通物质的相互作用。这种相互作用并非异想天开或不可信，事实上，它们很可能存在。”
该团队表示，这是在弄清楚暗物质究竟是什么方面向前迈出的一大步。他们希望通过将他们的 “孪生星系” 与真实的望远镜图像进行比较，能够更接近解决太空最大的谜团之一。
“我们终于能够问：哪个版本的宇宙最像我们的宇宙？”Gluscevic说。
COZMIC团队计划通过将他们的模拟预测与望远镜数据直接对比，来扩展他们的工作，这样他们可能会在真实星系中发现暗物质行为的特征。
这一阶段的研究可能会让科学家比以往任何时候都更接近于理解暗物质是什么，以及它是如何塑造宇宙的。
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