2024年10月18日，由beat365官方网站主办的北京大学格致论坛（第二十七讲）在北京大学思源多功能厅成功举办。北京大学科维理天文与天体物理研究所姜方周研究员作了题为“星系与暗物质的双向奔赴”的学术报告。本次论坛由科维理天文与天体物理研究所陈弦长聘副教授主持。

陈弦主持

姜方周作报告

姜方周研究员首先对星系宇宙学的研究对象进行了概览：从我们所处的银河系及星系基本结构，延展到旁边的M31星系、本星系群，本超星系团，以及宇宙网，并通过对比观测和宇宙学模拟展示了在大尺度下，目前的标准宇宙学模型取得了巨大成功。作为标准宇宙学模型的重要部分，暗物质在观测中也有着众多证据。但在小尺度上，报告人指出，标准宇宙学至少面临三大挑战：首先，矮星系结构迥异，宇宙学数值模拟中很难复现；其次，观测中卫星星系的数量、位置与结构与模拟均存在偏差，模拟中大质量卫星星系暗物质过多，旋转曲线缺乏多样性，空间分布也与观测不同；最后，早期宇宙中存在一些极端星系，与之前的理论模拟预言有所偏差，包括或许是裸黑洞的“小红点”星系，以及个别尺寸巨大的巨盘星系等。

接着，报告人介绍了宇宙结构形成的基本知识。从宇宙学基本原理、弗里德曼方程讲到宇宙密度场的演化，介绍了线性结构演化和非线性演化的基本知识，讲解了非线性结构形成的球塌缩模型和相关的三个重要定量结论。这三个结论是：一是形成宇宙结构的“过密度”阈值是常数；二是星系的暗物质边界很大，包含了约200倍宇宙平均密度的范围；三是密度场涨落形成了暗物质晕，星系在其中形成，所有星系不论大小和所处的时代，其动力学时标都是当时宇宙年龄的约六分之一。报告人通过宇宙学数值模拟直观展现了宇宙中结构从小到大逐级形成的基本图像，以及不同质量尺度的暗物质结构的高度自相似性。

报告的第三部分是对领域前沿的介绍。第一点是星系-暗物质晕关系。在这一关系中，最重要的因素是暗物质晕的总质量, 即越大的星系存在于越大的暗物质晕中。领域的前沿在于理解除质量之外的其他暗晕性质，尤其是暗晕结构、形成历史、大尺度环境等因素对星系的高阶影响, 比如暗晕的结构参数与星系形态之间的关系、暗物质晕的结构对星系重子过程的响应（下称“暗晕响应”）、致密环境中暗晕响应及其相应的星系结构多样性的加强等等。报告人以两类极端星系举例说明上述星系-暗晕关系——超弥散星系和极早期巨盘星系——前者可在孤立环境中通过暗晕响应形成，并在致密环境中变得更加弥散；后者处于宇宙网的正在形成的节点（即原星系团）中,暗晕结构也有一定特殊性，同时有趣的是其普遍拥有致密的内恒星盘。

第二点是暗物质模型。报告人提到，除了标准宇宙学模型的冷暗物质外，近年来还有一些其他的替代暗物质模型被提出来以解决小尺度问题，比如质量更低、运动更快的温暗物质，具有量子波动性的暗物质，以及有自相互作用的暗物质。报告人进一步讲解了自相互作用暗物质的有趣性质，其在大尺度结构上与冷暗物质相同, 在晕中心会产生等温核, 并最终核塌缩, 可能形成种子黑洞。其中不同的演化阶段也许对应于不同形态的星系。报告人通过初步计算发现核塌缩的自相互作用暗晕有希望解释宇宙早期普遍存在的“小红点”黑洞。

报告结束后，参会师生对子弹星系中恒星的影响，自相互作用暗物质中能量传递过程，天文与地面对暗物质散射截面的联合限制，以及自相互作用暗物质对暗物质晕结构的影响等方面进行了提问，报告人进行了深入浅出的回复。

报告人简介：

姜⽅周，北京大学科维理天文与天体物理研究所助理教授，博雅青年学者；2010年本科毕业于南京大学匡亚明学院，2016年博士毕业于美国耶鲁大学，先后在以色列希伯来大学、美国加州理工学院、卡内基天文台从事博士后研究，2023年加入北京大学；致⼒于星系形成演化和宇宙学的理论、计算研究，兼攻半解析和数值模拟等多种⽅法，在暗物质结构形成、小尺度宇宙学、星系形态等理论前沿做出了⼀系列高引用率⼯作。