暗物質是宇宙中的最主要重力源，然其確切性質為何，仍無定論。因此，天文學家藉由觀察暗物質暈的細微結構差異，試圖分辦和驗證不同的暗物質模型。由臺灣大學薛熙于助理教授和闕志鴻教授領導的研究團隊，利用超高解析度電腦模擬，首次揭露「波」暗物質暈的細部結構和其中心孤立子的隨機漫步，並探討後者對矮星系中心星團的致命潮汐撕裂作用。

　　暗物質的布朗運動：臺大天文所團隊揭露波暗物質的的細部結構和獨特運動

　　暗物質約佔宇宙總能量的27%，對星系形成和演化至關重要。可惜的是，直接量測暗物質的實驗至今皆以失敗告終，且傳統冷暗物質模型預測的星系結構仍與觀測不盡吻合。因此，暗物質的組成究竟為何，甚至是否真的存在，無疑是諾貝爾獎級的重要問題。

　　波暗物質（wave dark matter）由質量極輕的粒子組成，具有波動干涉的特性，故得其名。由臺灣大學天文物理研究所薛熙于助理教授和闕志鴻教授領導的研究團隊，在該領域位居前沿。其自主開發的天文動態模擬軟體GAMER [1]，利用多圖型顯卡加速，得以精確模擬波暗物質模型中的宇宙演化和星系結構。其中最重要的成果，是發現在每一個暗物質暈（halo）中央存有一孤立子（soliton；見附圖），其質量與超重黑洞相當，故對周遭的星際氣體和星團演化有重要影響。

　　2020年初，借助GAMER的超高運算效能，臺大團隊成功將波暗物質模擬解析度大幅提高到暗物質暈的十萬分之一，相當於在直徑約1公里的校園內，能看到1元硬幣的局部解析度。藉此首次發現，孤立子並非如多數理論假設般靜止不動，而會作隨機漫步（類似水分子布朗運動）[2]。此發現對波暗物質的理論模型有重大影響。例如，天文學家近年在一些矮星系中心，觀測到古老且高密度的星團。然而模擬發現，波暗物質的隨機漫步，將導致矮星系內的星團和孤立子中心偏移。當星團被甩到孤立子外圍，後者強大重力所造成的潮汐力，能在短時間內將星團扯散（類似物體太靠近黑洞時會被其潮汐力撕裂）。換言之，這些星團可能無法在波暗物質中存活！

　　對此難題，臺大團隊亦提出可能的解釋：類似星團被孤立子的潮汐力扯散，若矮星系與其繞轉的星系距離曾經夠近，則後者的潮汐力亦能將矮星系的暗物質暈撕裂，僅留下中央的孤立子。一旦少了與暗物質暈的交互作用，孤立子的隨機漫步程度將大幅減小，讓星團和孤立子得以共存。這些重要預測有待進一步的天文觀測和理論來驗證。

　　本成果已發表於物理頂尖期刊 Physical Review Letters [2].

附圖：藉助GAMER軟體和超級電腦模擬，臺大團隊首次揭露波暗物質暈（wave dark matter halo）的細部結構和其中心孤立子（soliton）的隨機漫步。

參考文獻 

[1] "Soliton Random Walk and the Cluster-Stripping Problem in Ultralight Dark Matter", Hsi-Yu Schive, Tzihong Chiueh, and Tom Broadhurst, Phys. Rev. Lett., 124, 201301 (2020); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.201301

[2] “GAMER-2: a GPU-accelerated Adaptive Mesh Refinement Code – Accuracy, Performance, and Scalability”, Schive et al., Mon. Not. R. Astron. Soc., 481, 4815 (2018); https://doi.org/10.1093/mnras/sty2586 (source code: https://github.com/gamer-project/gamer)