宇宙中的“隐身人”如何在银河系“聚会”

 

 
人类对宇宙的起源充满了想象。对宇宙中存在的中微子背景的研究，可以将人类对宇宙的认知一下子回到“婴儿时代”，也就是宇宙年龄为1秒钟的那个时刻。
日前，我国学者在宇宙中微子背景的研究取得新进展。这一研究成果让我们了解到来自“婴儿宇宙”的中微子“信使”如何在银河系中聚集，从而为研究宇宙中最古老的中微子如何在银河系中结团提供依据。该成果近日发表在《自然·通讯》上。
“我们在N单体模拟中发展了一种重要的计算方法即重加权方法。它只需要运行一次基准模拟计算，便可以得到不同中微子质量和相空间分布下的中微子密度轮廓，从而可以研究宇宙中最古老的中微子是如何在银河系中结团的。”东北大学理学院张鑫教授介绍。作为研究者之一，他与北京大学高能物理研究中心张珏博士在宇宙遗迹中微子的引力结团效应研究中取得了重要进展。
接近“零质量”的宇宙“隐身人”
中微子是解开诸多宇宙之谜的关键，相关研究一直处于科学研究的最前沿。
迄今为止，与中微子直接相关的科学研究已经获得四次诺贝尔物理学奖，而我国在这一基础科学领域中也做出极为重要的贡献。在大亚湾反应堆中微子实验中，我国首次发现了一种新的中微子振荡模式的存在，被外界评价为“来自中国的最重要的物理实验结果”。
作为构成物质世界的最基本的粒子之一，中微子不带电，质量非常轻，以接近于光的速度来运动，与其他基本粒子之间的相互作用也十分微弱，被戏称为宇宙中的“隐身人”。
而对宇宙遗迹中微子的实验探测，是基础物理中的重要课题，意义十分重大。“来自‘婴儿宇宙’的中微子‘信使’如何在银河系中聚集，这关系到对它们的俘获。”张鑫介绍。
据了解，利用“重加权方法”这一计算方案，可以在几分钟之内即可获得原本需要数周时间计算所得到的结果，极大地节省了计算资源，非常有利于促进宇宙遗迹中微子引力结团的研究，并在未来对宇宙中的中微子背景探测实验以及相关的唯象研究中发挥重要作用。
宇宙大爆炸产生“遗迹中微子”
标准宇宙学模型预言，在宇宙大爆炸后1秒左右，中微子从“宇宙的粒子碰撞游戏”中退场，不再跟其他粒子碰撞，从而形成了宇宙中微子背景。这些最古老的中微子是宇宙大爆炸的遗迹之一，也被称为宇宙的遗迹中微子。
宇宙演化至今，这些宇宙遗迹中微子的平均数密度约为每立方厘米336个。尽管标准宇宙学模型对遗迹中微子的平均数密度做出了精确的预言，但是在实际的探测计划中还需考虑引力的因素。
“中微子的质量很小，但终究不是零，这导致它们会感受到银河系中暗物质和重子物质的引力，因此在地球附近的遗迹中微子的实际数密度会高于其平均值。”张鑫说，
正因如此，对遗迹中微子在银河系中的引力结团研究已成为未来宇宙中微子背景实验探测研究中的必要环节。
张鑫介绍，在研究银河系中遗迹中微子引力结团问题时我们注意到，中微子运动所遵循的哈密顿方程可以被改写成不依赖于质量的形式，在N单体模拟中重构出的中微子密度轮廓只取决于每个测试粒子在相空间中所携带的权重。因此，只需运行一次基准模拟计算，即可通过“重加权”技术得到其他中微子质量和相空间分布下的中微子密度轮廓结果。利用了这种计算方法，他们还发现了在地球附近的中微子密度差几乎正比于中微子质量的平方。