Perimeter 研究所新型数值工具揭示自相互作用暗物质对宇宙结构演化的关键作用
2026年1月在《Physical Review Letters》上发表的一项研究中，Perimeter Institute 的两位物理学家 James Gurian 与 Simon May 推出了名为 KISS‑SIDM 的新计算工具，专门用于研究 自相互作用暗物质（Self‑Interacting Dark Matter，SIDM） 对星系形成与演化的影响。
“暗物质以其引力作用塑造星系和宇宙大尺度结构，” Gurian 博士说，“但若暗物质粒子可自相互作用，它对暗物质晕的结构将产生深远影响。”
何为自相互作用暗物质？SIDM 设想暗物质粒子可以互相碰撞，但不与普通物质（即由质子、中子和电子组成的物质）相互作用。这种弹性自相互作用能在暗物质晕——围绕星系的巨大暗物质云——中产生能量传递，导致所谓的 引力热坍塌（gravothermal collapse）：核心区因能量向外流动而变得更热、更密集，最终可能崩塌成黑洞等极端结构。
“这是一种反直觉的引力行为——系统失去能量时，反而会变得更热。” Gurian 进一步解释道。
传统模拟方法的局限过去，研究者使用两种主要模拟框架：
N‑体模拟：适用于暗物质稀疏、碰撞罕见的情况。
流体模拟：适用于暗物质极度密集、碰撞频繁的环境。
然而，对于介于两者之间的“中等密度”区，现有方法往往不够准确。Gurian 表示：
“我们需要一种能够平滑过渡、同时兼顾高精度与低计算成本的中间手段，这正是本项目的起点。”
KISS‑SIDM：速度与可访问性的突破Gurian 与 Simon May 合作，开发了 KISS‑SIDM（KISS 为 “Kinetic Interparticle Self‑Interaction Simulation for Dark Matter” 的缩写）。该代码将 N‑体与流体两种方法“粘接”在一起，覆盖从低密度到高密度的完整范围，且相较传统模型：
准确度提升：更精准地捕捉自相互作用的细节。
计算成本降低：可在普通笔记本电脑上运行，免除对大型集群的需求。
“以前想要探索不同 SIDM 参数时，要么使用过于简化的流体模型，要么不得不跑集群，成本极高。” Gurian 说，“KISS‑SIDM 彻底改变了这一局面。”
该代码已对外公开，任何研究团队均可下载使用。
对暗物质物理的广阔前景自相互作用暗物质模型近年来备受关注，主要源于星系观测中出现的异常特征，可能暗示暗物质层面存在新的物理规律。Perimeter Institute 研究院成员 Neal Dalal 评价道：
“在这些模型中准确计算宇宙结构演化曾是不可能的，James 与 Simon 开发的方法终于填补了这一空缺。” “他们的工作将为此前不可行的研究开启全新路径，推动暗物质物理学的快速发展。”
对黑洞与宇宙的潜在影响SIDM 核心坍塌过程若导致黑洞形成，其最终演化阶段及可能留下的观测印记仍是未解之谜。Gurian 与 Dalal 均表示，使用 KISS‑SIDM 可以在极端条件下进行细致模拟，进一步探讨：
“究竟坍塌最终会演变为何？我们最期待的是研究“黑洞形成后”阶段的物理。”
研究支持与合作资金来源：加拿大物理学研究院（Perimeter Institute）
研究者：James Gurian（博士后），Simon May（ERC Preparative Fellow，德国比勒菲尔德大学）
其他贡献者：Haobo Wang、Fairine Ahmed、Jeffrey Khau 与 Anish Kumar Mondal
专利：Perimeter Institute 已对 KISS‑SIDM 的电流测量技术申请专利。
勇编撰自论文"Core Collapse Beyond the Fluid Approximation: The Late Evolution of Self-Interacting Dark Matter Halos".Physical Review Letters.2026相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。
