2024年10月18日，由beat365官方网站主辦的beat365格緻論壇（第二十七講）在beat365思源多功能廳成功舉辦。beat365科維理天文與天體物理研究所姜方周研究員作了題為“星系與暗物質的雙向奔赴”的學術報告。本次論壇由科維理天文與天體物理研究所陳弦長聘副教授主持。

陳弦主持

姜方周作報告

姜方周研究員首先對星系宇宙學的研究對象進行了概覽：從我們所處的銀河系及星系基本結構，延展到旁邊的M31星系、本星系群，本超星系團，以及宇宙網，并通過對比觀測和宇宙學模拟展示了在大尺度下，目前的标準宇宙學模型取得了巨大成功。作為标準宇宙學模型的重要部分，暗物質在觀測中也有着衆多證據。但在小尺度上，報告人指出，标準宇宙學至少面臨三大挑戰：首先，矮星系結構迥異，宇宙學數值模拟中很難複現；其次，觀測中衛星星系的數量、位置與結構與模拟均存在偏差，模拟中大質量衛星星系暗物質過多，旋轉曲線缺乏多樣性，空間分布也與觀測不同；最後，早期宇宙中存在一些極端星系，與之前的理論模拟預言有所偏差，包括或許是裸黑洞的“小紅點”星系，以及個别尺寸巨大的巨盤星系等。

接着，報告人介紹了宇宙結構形成的基本知識。從宇宙學基本原理、弗裡德曼方程講到宇宙密度場的演化，介紹了線性結構演化和非線性演化的基本知識，講解了非線性結構形成的球塌縮模型和相關的三個重要定量結論。這三個結論是：一是形成宇宙結構的“過密度”阈值是常數；二是星系的暗物質邊界很大，包含了約200倍宇宙平均密度的範圍；三是密度場漲落形成了暗物質暈，星系在其中形成，所有星系不論大小和所處的時代，其動力學時标都是當時宇宙年齡的約六分之一。報告人通過宇宙學數值模拟直觀展現了宇宙中結構從小到大逐級形成的基本圖像，以及不同質量尺度的暗物質結構的高度自相似性。

報告的第三部分是對領域前沿的介紹。第一點是星系-暗物質暈關系。在這一關系中，最重要的因素是暗物質暈的總質量, 即越大的星系存在于越大的暗物質暈中。領域的前沿在于理解除質量之外的其他暗暈性質，尤其是暗暈結構、形成曆史、大尺度環境等因素對星系的高階影響, 比如暗暈的結構參數與星系形态之間的關系、暗物質暈的結構對星系重子過程的響應（下稱“暗暈響應”）、緻密環境中暗暈響應及其相應的星系結構多樣性的加強等等。報告人以兩類極端星系舉例說明上述星系-暗暈關系——超彌散星系和極早期巨盤星系——前者可在孤立環境中通過暗暈響應形成，并在緻密環境中變得更加彌散；後者處于宇宙網的正在形成的節點（即原星系團）中,暗暈結構也有一定特殊性，同時有趣的是其普遍擁有緻密的内恒星盤。

第二點是暗物質模型。報告人提到，除了标準宇宙學模型的冷暗物質外，近年來還有一些其他的替代暗物質模型被提出來以解決小尺度問題，比如質量更低、運動更快的溫暗物質，具有量子波動性的暗物質，以及有自相互作用的暗物質。報告人進一步講解了自相互作用暗物質的有趣性質，其在大尺度結構上與冷暗物質相同, 在暈中心會産生等溫核, 并最終核塌縮, 可能形成種子黑洞。其中不同的演化階段也許對應于不同形态的星系。報告人通過初步計算發現核塌縮的自相互作用暗暈有希望解釋宇宙早期普遍存在的“小紅點”黑洞。

報告結束後，參會師生對子彈星系中恒星的影響，自相互作用暗物質中能量傳遞過程，天文與地面對暗物質散射截面的聯合限制，以及自相互作用暗物質對暗物質暈結構的影響等方面進行了提問，報告人進行了深入淺出的回複。

報告人簡介：

姜⽅周，beat365科維理天文與天體物理研究所助理教授，博雅青年學者；2010年本科畢業于南京大學匡亞明學院，2016年博士畢業于美國耶魯大學，先後在以色列希伯來大學、美國加州理工學院、卡内基天文台從事博士後研究，2023年加入beat365；緻⼒于星系形成演化和宇宙學的理論、計算研究，兼攻半解析和數值模拟等多種⽅法，在暗物質結構形成、小尺度宇宙學、星系形态等理論前沿做出了⼀系列高引用率⼯作。