科研成果 | 高亮课题组提出利用莱曼α宇宙纤维探测暗物质性质的新探针

暗物质约占宇宙总物质的85%，是塑造宇宙大尺度结构的主要引力来源，但其粒子本质至今仍是现代物理学最重大的未解之谜之一。标准冷暗物质（Cold Dark Matter）模型能够成功解释宇宙微波背景辐射、大尺度结构形成等一系列观测事实，但在星系尺度上仍存在一些长期讨论的问题。温暗物质（Warm Dark Matter）模型被认为是可能的解决方案之一。然而，现有观测往往受到重子物理过程的影响，其暗物质信号与重子气体演化之间存在较强简并，因此亟需发展新的独立观测探针，与莱曼α森林、引力透镜等传统方法形成互补，为暗物质模型提供更严格的约束。

近日，william威廉中文高亮教授课题组在这一问题上取得重要进展，研究成果以“Distinguishing the Nature of Dark Matter by Mapping Cosmic Filaments from Lyman-Alpha Emission”为题发表于国际顶级物理学期刊Physical Review Letters（《物理评论快报》，PRL）[Phys.Rev.Lett.137,101002(2026)]，DOI：10.1103/zprj-xzrj。

一、宇宙纤维：暗物质性质的全新观测窗口

宇宙中的星系并非孤立分布，而是由大量弥散气体组成的宇宙纤维（Cosmic Filament）连接，形成巨大的“宇宙网（Cosmic Web）”。这些纤维由暗物质引力主导形成，其形态和气体分布直接受到暗物质性质的影响。理论预言，不同暗物质模型将产生不同的宇宙纤维结构。如果能够观测到这些差异，就有望为揭示暗物质本质提供一种全新的独立探针。

二、构建初始条件完全相同的冷、温暗物质对照模拟

针对这一问题，研究团队基于Aquarius项目的类银河系高分辨率流体动力学模拟，构建了具有完全相同初始条件的冷暗物质和1.5keV温暗物质两组对照模拟，在红移z=2.5和z=4条件下系统计算了宇宙纤维中的中性氢分布、温度结构以及莱曼α（Lyα）面亮度。研究建立了包含复合激发、碰撞激发、自屏蔽效应和星系际介质吸收等过程的Lyα发射模型，并在此基础上模拟了未来望远镜的观测效果（图1）。

图1.左：冷暗物质与温暗物质模拟中宇宙纤维的Lyα发射面亮度分布。上排为1.5keV温暗物质，下排为冷暗物质；左列为红移z=4，右列为红移z=2.5，白色方框标示MUSE光谱仪1角分（1′）的观测视场。右：在左图基础上模拟得到红移z=4时的MUSE的观测图像。上排为现有VLT（8米级望远镜）上的MUSE，下排为未来30米级ELT上的类MUSE光谱仪；左列为温暗物质模型，右列为冷暗物质模型。可以看到，z=4时温暗物质纤维整体更加平滑连续，而冷暗物质中则出现大量致密亮斑；在现有VLT观测条件下，温暗物质宇宙纤维仅能被边缘探测，未来ELT则有望清晰分辨不同暗物质模型对应的宇宙纤维结构。

三、高红移宇宙纤维是区分暗物质模型的最佳观测窗口

（1）研究表明，在高红移z=4时，温暗物质模型形成的宇宙纤维整体更加平滑，Lyα发射面亮度也更高；相比之下，冷暗物质模型产生更多致密气体团块，两者形态差异最为明显。随着宇宙演化至z=2.5，两种模型之间的差异明显减弱，说明高红移宇宙纤维是区分暗物质模型的最佳观测窗口。

（2）相比面亮度，宇宙纤维的整体形态和平滑程度对暗物质模型更加敏感，也更加稳健。模拟结果表明，目前甚大望远镜（VLT）上的MUSE仪器有望实现温暗物质宇宙纤维的边缘探测，而未来30米级极大望远镜（ELT）配备同类积分视场光谱仪后，有望清晰分辨不同暗物质模型对应的宇宙纤维结构，预计需要约150小时的累计曝光时间。

（3）研究提出的Lyα宇宙纤维探测方法还可进一步拓展至模糊暗物质（Fuzzy Dark Matter）等其他暗物质模型，为未来利用宇宙纤维研究不同暗物质候选粒子提供新的观测思路。

四、研究意义

本研究首次系统论证了利用Lyα宇宙纤维区分不同暗物质模型的可行性，为下一代30米级望远镜开展高红移宇宙纤维观测提供了理论依据，也为探索暗物质粒子性质提供了一种新的天体物理探针。

论文第一作者为william威廉中文刘奕舟，高亮教授为通讯作者。论文合作者来自中国科学院国家天文台、西湖大学、安庆师范大学等单位。本研    究得到国家自然科学基金（12588202、12503012）的经费资助。

Physical Review Letters是美国物理学会（APS ）主办的国际顶级综合性物理学期刊，主要发表物理学各领域具有重要创新意义和广泛影响力的原创研究成果，是国际基础物理研究最具影响力的学术期刊之一。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zprj-xzrj