在兆秒差距（Mpc）的尺度上，暗物质与星系沿着一张庞大而复杂的“宇宙网”（cosmic web）分布：高密度的星系团构成了一个个“节点”（nodes），而细长的“纤维结构”（filaments）则连接其间。这些横跨数百万光年的纤维结构是物质向星系团输运的重要通道，也与星系的形成和演化密切相关。然而，与已经得到深入研究的暗物质晕（halos）相比，宇宙纤维结构没有明确的边界与天然的尺度，其内部结构究竟遵循怎样的规律，长期以来仍缺乏统一的定量描述。
近日，北京大学科维理天文与天体物理研究所助理教授姜方周研究团队与合作者开展了一项系统研究，利用高分辨率宇宙流体力学模拟Illustris-TNG中的TNG50模拟，对不同宇宙时期、不同尺度的宇宙纤维结构进行了系统的刻画。相关论文以“Universal Dark-matter Density Profiles of Cosmic Filaments”为题发表于《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters），原清华大学致理书院本科生（现为美国西北大学物理与天文系硕士生）许芃为论文的第一作者。
图1｜(a) 宇宙网示意图；(b) 纤维结构径向密度轮廓的定义与计算；(c) 节点维里半径归一化纤维密度剖面及最佳拟合曲线，PL3模型在三个特征半径处的幂律用点状线表示
重新寻找宇宙纤维结构的中心
研究团队首先关注了一个看似简单、但实际上十分关键的问题：我们究竟应该如何定义一条纤维结构的中心？
传统方法通常直接利用拓扑算法DisPerSE应用于输入密度场给出的纤维骨架（spine），但受到数值网格分辨率等因素的影响，提取出的骨架结构未必始终位于局部物质分布的真正中心。为此，研究团队提出了一种“收缩圆柱”（shrinking cylinder）的迭代算法：以DisPerSE给出的纤维骨架为中心，在其周围建立柱状区域，并不断缩小柱体、重新计算物质分布的中心，从而逐步将纤维中心移动至更加符合局部密度分布的位置。
这一重新定位对纤维结构内部的密度测量产生了显著影响。经过重新定位后，纤维结构中心区域的暗物质密度提高了约1-1.5个数量级。这说明，准确确定宇宙纤维的中心位置，是研究其内部暗物质结构的重要前提。
不同宇宙纤维是否拥有一致的密度剖面？
在确定了更加可靠的纤维结构中心后，研究团队进一步比较了不同红移、不同节点质量以及不同长度的纤维结构的径向暗物质密度分布。
一个关键发现是：如果直接以物理距离衡量，不同纤维结构的密度剖面存在明显差异；但当对径向距离以纤维所连接节点暗物质晕的维里半径归一化后，不同纤维结构的密度剖面会趋于高度一致。也就是说，宇宙纤维所连接节点暗物质晕的尺度可以为纤维结构提供一种天然的径向标尺。
这种普适性跨越了不同宇宙时期以及不同质量和长度的宇宙纤维。研究团队进一步利用广义三重幂律模型（generalized triple-power-law, PL3）对这一普适密度剖面进行拟合，发现其可以较好地描述从中心到外围的不同结构区域：中心区域较为平坦，随后进入明显的幂律下降区，而在更外围密度下降趋于平缓。
从平滑物质到团块结构：宇宙纤维如何演化？
在发现宇宙纤维具有普适的径向暗物质密度剖面后，研究团队进一步将其中已经形成暗物质晕的束缚物质与未束缚的（unbound）暗物质区分开来，以探究这种内部结构的物理来源。
结果显示，移除纤维中的束缚暗物质后，其中心区域的密度显著下降，说明纤维中心的高密度很大程度上与其中包含的低质量暗物质晕有关。这一结果揭示了宇宙纤维结构可能经历的物质积累过程：早期以相对平滑的物质吸积为主，而随着低质量暗物质晕不断形成，物质分布与吸积模式逐渐向更加团块化的状态转变。
从宇宙网到星系的形成与演化
研究建立了一个能够跨越不同宇宙时期和尺度描述宇宙纤维结构内部暗物质分布的统一框架。研究结果表明，虽然纤维本身没有像暗物质晕那样明确的边界和天然尺度，但其内部结构可以通过连接节点的维里半径进行有效归一化，并呈现出近似普适的暗物质密度剖面。
这一发现为进一步理解宇宙网中的物质输运、暗物质晕形成以及星系形成环境提供了新的视角。未来，研究团队将进一步利用更大体积、更高分辨率的宇宙学模拟，并结合观测数据重建的宇宙网，探明宇宙网如何调节星系的形成与演化。
此项工作得到了国家自然科学基金委员会和中国载人航天工程巡天空间望远镜专项科学研究经费的资助。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aea298
