一项最新的宇宙学模拟研究首次系统性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与形状排列。这项研究为理解宇宙大尺度结构的形成提供了新的视角，并为未来中国空间站望远镜（CSST）等巡天项目的观测数据解读奠定了重要基础。该研究论文题为《相互作用暗物质-暗能量宇宙学中的晕旋转与取向》（"Halo spin and orientation in Interacting Dark Matter Dark Energy Cosmology"），已于近期在Physical Review D发表。

当前描述宇宙的ΛCDM（宇宙学常数和冷暗物质）模型虽然取得了巨大成功，但仍面临一些观测挑战，如哈勃常数危机（Hubble Tension）和S8矛盾。相互作用暗物质-暗能量（Interacting Dark Matter-Dark Energy, IDE）模型是解决这些难题的有力候选理论之一。在该模型中，暗物质与暗能量并非独立演化，而是存在能量的相互转移。

本研究重点关注两种典型的IDE情景：在IDE I模型中，暗物质衰减并转化为暗能量；而在IDE II模型中，过程相反，暗能量转化为暗物质。这两种过程会改变暗物质粒子的有效质量，从而深刻影响暗物质晕的形成历史和动力学特性。

本研究利用名为ME-GADGET的专用N体数值模拟程序，对IDE模型和标准ΛCDM模型下的宇宙结构形成进行了高精度模拟。利用数值模拟，该研究发现在暗物质衰减的IDE I模型中，暗物质晕的形状与其周围宇宙纤维状结构的潮汐场方向的排列一致性，显著强于ΛCDM模型。在暗物质增殖的IDE II模型中，观测到了完全相反的趋势，暗物质晕的形状与潮汐场排列一致性降低。

如上图所示，从左到右展现在了在大尺度丝状结构的环境下物质密度的演化过程，IDE I模型中的暗物质晕松散而细长，相反的IDE II模型中的暗物质晕紧致而浑圆。

论文通讯作者张佳骏表示：“其实很容易理解这种变化，如果暗物质向暗能量转化，暗物质晕就会变得更加松散，从而更容易受到环境影响，而暗能量向暗物质转化则刚好相反。就好像有两个人，如果一个人长期锻炼，肌肉紧实，运动起来就比较随意，有足够能力抵抗地心引力。另一个人不好好锻炼，体重主要来自于脂肪，那么显然在重力作用下就更容易瘫软到沙发里。这个研究不仅告诉我们宇宙中暗物质分布的规律，同时也提醒我们应该注意运动，多转化些肌肉，才能保持健康。”

就观测意义而言，它首次详细描绘了IDE宇宙学中晕的固有排列（Intrinsic Alignment, IA）信号。IA是弱引力透镜观测中的一个关键系统误差来源，它源于星系形状之间以及星系与宇宙大尺度结构之间的非随机排列。未来，如中国空间站望远镜（CSST）等大型弱引力透镜巡天项目，对IA效应的精确校刻是成功限制宇宙学参数、特别是探测暗物质和暗能量性质的前提。

张佳骏指出：“我们的工作为构建更精确的、包含IDE效应的IA校准模型提供了必要的物理基础和拟合公式。这将直接有助于从CSST的未来数据中提取更纯净的宇宙学信号。”

论文链接：Halo spin and orientation in interacting dark matter dark energy cosmology | Phys. Rev. D

科学联系人：张佳骏  jjzhang@shao.ac.cn