科学家探寻氢“森林”，或揭开暗物质面纱

科学家们将一个强大的模拟器与有关宇宙的数据相结合，以解释我们理解中的一个巨大差异。名为 PRIYA 的模拟套件于去年首次亮相，正在帮助科学家研究深外层空间中氢原子的一种特殊现象。现在，在一项新的研究中，PRIYA 使加利福尼亚大学河滨分校的科学家能够根据围绕引力源形成的氢“森林”的光特征绘制暗物质的可能位置。他们的研究成果现已发表在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》中。

高科技模拟软件帮助天体物理学家和天文学家更仔细地研究遥远的现象，并使我们能够确认或微调我们关于宇宙的理论。这样的模拟本质上是单个粒子和作用于它们的力的巨大交互式图表。处理如此多的数据需要一台能够长时间处理的超级计算机。使用超级计算机将处理时间从在功能较弱的计算机上的数年甚至数十年缩短。

在加州大学河滨分校的一份声明中，资深作者西蒙·伯德描述了这种效应，称其在这项研究中为“皮影戏，我们根据其轮廓来猜测处于光与屏幕之间的角色。”通常，科学家们消除我们确实理解的阴影，以便推断出我们尚未观察到的东西，比如暗物质，正在填补其余部分。

在寻找暗物质的过程中，氢很特别，因为它极为丰富，是最轻的元素，并且与宇宙本身一样古老——是大爆炸的产物。当氢原子中的单个电子从一个能级跃迁到另一个能级，即被激发然后回到基态时，它会以光子的形式释放出微小的能量标识。

宇宙中充满了大量来自氢原子的光子，我们日益精密的仪器可以探测到这些光子。这与化学家用于分析样品纯度或成分的光谱学是相同的。19 世纪后期的科学家们发现，他们可以通过研究分光镜中产生的线条的模式来看到这些氢的特征。有五个人确定了以下五种类型：巴尔默、莱曼、普丰德、布喇开和帕邢。

除了莱曼系之外，所有的都在红外线光的范围内，而莱曼系在紫外线范围内。对于莱曼系，光谱线是根据产生它们所释放的能量多少来命名的。从第二能级回到第一能级的最短能级间隔被称为莱曼-α。在遥远的外太空，研究人员把这种特征聚集而成的形状称为“森林”。加州大学河滨分校新的 PRIYA 模拟突出了这个系列，其建立在同一研究人员西蒙·伯德此前名为 ASTRID 的模拟的基础之上。

莱曼-α森林被认为给我们展示了暗物质更集中的地方，因为氢是被暗物质所发出的引力吸引到这些形状里的。虽然暗物质尚未被直接观察或探测到，但科学家们可以继续使用像 PRIYA 这样的模拟来发展他们的假设。

在这篇论文中，伯德和他的同事——M.A. 费尔南德斯和何明峰——提高了针对理论天体物理学中一个具体问题的解决精度。他们想要帮忙阐释模型所预测的我们宇宙应有的模样与现实之间存在的差距。某些星系的发展受到了阻碍，这可能是超大质量黑洞，也可能是我们尚未观测到的全新粒子。

“这还不能完全令人信服，但倘若这在后续的数据集中得以成立，那么更有可能是一个新粒子或者某种新型的物理学现象，而非黑洞干扰了我们的计算，”伯德在声明中总结道。