近日，上海交通大学物理与天文学院韩家信课题组在暗物质结构演化领域取得重要进展。研究首次解决了近年来严重挑战宇宙学数值模拟可靠性的暗物质子晕“人为瓦解”争议，明确指出数值模拟中暗物质子晕“消失”现象的根源在于真实的物理过程，而非近年来备受关注的数值效应。这一成果重建了宇宙学数值模拟的信任基础，并提供了对宇宙结构形成过程的重要物理洞见，近期以“why artificial disruption is not a concern for current cosmological simulations”为题发表于天文学权威期刊《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）。

亦真亦幻：暗物质子晕命运的历史纠葛

暗物质晕是构成宇宙大尺度结构的“基石”。按照冷暗物质（CDM）模型，星系和其他大尺度结构正是在无数小质量暗物质晕逐级合并中孕育而成，而子晕则是这些原始“积木”在融入大质量暗晕后的残留物。上世纪90年代，研究人员发现数值模拟中的子晕数量远低于实际观测，早期将这一“消失”现象归因于“过度合并(overmerging)”问题^【1】——受限于低分辨率模拟，子晕精细结构无法充分展现而提前瓦解。随着数值模拟技术和超级计算机算力的发展，模拟逐步揭示出大量子晕的存在，过度并合问题也逐渐成为历史。2016年，韩家信团队进一步指出，即便在最高精度的模拟中，实际上只有一半的子晕能够存活，而另一半则始终无法分辨，从而处于物理“瓦解”状态^【2】。然而，2018年耶鲁大学Frank van den Bosch等人提出，只要模拟精度足够高，子晕本不应因潮汐作用而瓦解，在模拟中消失的子晕实际上是数值效应导致的“人为瓦解”^【3】。这一新观点一度获得广泛追随，使得overmerging问题重回历史舞台，对现有的主流宇宙学模拟的可靠性提出严峻挑战。

揭示双重命运：两类子晕的分化演化

研究团队利用超高分辨率的宇宙学模拟项目Aquarius，追踪了数千个子晕在银河系尺度暗物质晕中的演化历史。结果显示，子晕“消失”现象与其吸积时间及并合方式密切相关，可归纳为以下两类：

1.稳健存活的“一阶子晕”
直接吸积进入主晕的子晕，多在较晚期形成，并以小规模合并进入主晕。由于中央密度较高，它们能有效抵抗潮汐剥离，得以长时间存续。图1中蓝色曲线清晰展示了这部分子晕的质量演化过程。

2.迅速消逝的“高阶子晕”
先被其他子晕吸积后再随宿主并入主晕的子晕，往往形成于早期宇宙，并经历剧烈大质量并合，其轨道迅速衰减至主晕中心。在强潮汐作用下，这些子晕迅速失去大部分质量，并因降至模拟分辨率以下而“消失”。图1中红色曲线则展示了这一演化趋势。

图1. 暗物质子晕在潮汐场中质量随时间演化的分布，幸存的子晕和消失的子晕具有非常明显的两种不同的演化方式：前者经历非常缓慢的潮汐剥离，后者倾向于在很短时间内损失大部分质量。

图2. 暗物质并合树的示意图，紫色圆圈表示暗物质晕并合历史的主枝（主晕），黄色圆圈展示的是大多数幸存的“一阶子晕”经历的并合模式。而蓝色和红色圆圈展示的是“高阶子晕”（也就是在并合树次枝）的并合模式，它们中的大部分成为了消失的子晕。并合树示意图来自^【4】。

图1展示了暗物质子晕在潮汐场中随时间变化的质量分布：蓝色线条代表存活子晕，红色线条则对应迅速消逝的子晕,这两类群体显示了明显不同的演化路径。图2通过暗物质并合树的示意，展示了一阶和高阶子晕的不同起源。这一“并和树”样式的结构形成过程在宇宙学中广为人知，但不同“阶”的子晕具有不同的演化速度则是在本工作中首次被揭示。

正本清源：验证真实物理过程

为回应van den Bosch等人关于数值效应的质疑，研究团队通过理想化模拟和半解析模型双重验证，得出明确结论：
• 当子晕中粒子数足够多时，其质量演化结果高度可靠，并没有人为瓦解的现象，所观察到的“消失”现象真实反映了子晕因为强烈的潮汐剥离而消逝在模拟可观测的范围内的物理过程。而只有当子晕内粒子数很少时，数值误差导致的子晕瓦解才开始显著，但这部分低质量子晕对整体统计分布贡献甚微。

在最新投稿的另一篇工作中^【5】, 课题组从理论上推导出不同阶数的子晕的起源分布和并合条件，为本工作的子晕“双模”起源进一步提供了优美的理论依据。

科学意义与应用前景

这一发现明确平息了近年来暗物质数值模拟领域的争议，首次揭示了暗物质子晕演化存在“双模”机制，为物理理解暗物质精细结构贡献了新规律，预期将在结构形成、星系形成以及区分暗物质属性等方面产生深远影响。该研究也是课题组“补天”计划（https://mp.weixin.qq.com/s/WaJCpr8Km3Hafc6NLZttgw）的另一重要维度，为构建精确的宇宙结构演化理论锤炼“基石”。

论文第一作者为天文系博士生何飞鸿，通讯作者为韩家信副教授，合作者包括以色列希伯来大学李昭洲博士后。该项工作得到了国家自然科学基金和科技部重点专项等多项科研经费支持。

科普小贴士

“Old subhalos never die, they just fade away.”

——改编自麦克阿瑟名言

就像老兵不会死去，只是悄然隐退，暗物质子晕也并非被数值效应“杀死”。它们因早期宇宙的剧烈合并坠入主晕核心，在潮汐剥离中逐渐“消瘦”，最终隐入分辨率以下，成为宇宙暗物质背景中的沉默见证者。

参考文献：

[1] Klypin, A., Gottlober, S., Kravtsov, A., Khokhlov, A. 1999. Galaxies in N-Body Simulations: Overcoming the Overmerging Problem. The Astrophysical Journal 516, 530–551. doi:10.1086/307122

[2] Han, J., Cole, S., Frenk, C., Jing, Y. 2016. A unified model for the spatial and mass distribution of subhaloes. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 457, 1208–1223. doi:10.1093/mnras/stv2900

[3] van den Bosch, F., Ogiya, G., Hahn, O., Burkert, A. 2018. Disruption of dark matter substructure: fact or fiction?. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 474, 3043–3066. doi:10.1093/mnras/stx2956

[4] Jiang, F., van den Bosch, F. 2016. Statistics of dark matter substructure - I. Model and universal fitting functions. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 458, 2848–2869. doi:10.1093/mnras/stw439

[5] Jiang Wengkang, Han Jiaxin, Dong Fuyu, He Feihong, Self-similar decomposition of the hierarchical merger tree of dark matter halos, 

https://arxiv.org/abs/2502.20181

论文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adb383