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星系和暗物質(zhì)之間有什么關(guān)系？

2019-06-25 18:33 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

科學(xué)家們利用歐空局普朗克衛(wèi)星記錄的宇宙物質(zhì)引力在宇宙微波背景上留下的微小扭曲，揭示了類星體（活動星系中明亮的核心）的光度與它們所在更大暗物質(zhì)“光暈”質(zhì)量之間的聯(lián)系。

這一結(jié)果對于我們理解星系如何在宇宙歷史中演化是一個重要的確認。宇宙中大多數(shù)星系的核心都有超大/大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽質(zhì)量的數(shù)百萬到數(shù)十億倍。這些宇宙怪物中大多數(shù)都是“休眠”的，在它們附近幾乎沒有或幾乎沒有活動，但大約有1%被歸類為“活躍”，它們以非常快的速度從周圍環(huán)境中吸收物質(zhì)。

這種吸積過程使黑洞附近物質(zhì)在電磁光譜中發(fā)出明亮的光，使這些活躍的星系或類星體成為宇宙中最亮的光源之一。雖然目前還不清楚是什么激活了這些黑洞，開啟和關(guān)閉了它們強烈吸積的階段，但類星體很可能在調(diào)節(jié)整個宇宙歷史上星系的演化方面發(fā)揮了重要作用。因此，在更大的尺度上理解類星體、它們的宿主星系和環(huán)境之間的關(guān)系是至關(guān)重要。英國赫特福德大學(xué)的James Geach最近領(lǐng)導(dǎo)的一項研究中，科學(xué)家們將歐洲航天局普朗克任務(wù)的數(shù)據(jù)與迄今為止最大的類星體調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合起來，闡明了這個迷人的話題。

圖示由類星體承載的暗物質(zhì)暈引起引力偏移。圖片：David Tree, Professor Peter Richardson, Games and Visual Effects Research Lab, University of Hertfordshire

根據(jù)宇宙結(jié)構(gòu)形成的主要設(shè)想，星系是由宇宙網(wǎng)中密度最大節(jié)點中的普通物質(zhì)形成——這是一個絲狀網(wǎng)絡(luò)，主要由不可見的暗物質(zhì)組成，遍布宇宙。反過來，普通物質(zhì)和暗物質(zhì)的復(fù)雜分布都源于原始宇宙的微小波動，這在宇宙歷史上最古老的光——宇宙微波背景(CMB)中留下了印記。普朗克衛(wèi)星在2009年至2013年間一直在掃描天空，以繪制出宇宙微波背景輻射最精確的全天空圖，使科學(xué)家能夠?qū)⑽覀儗τ钪娴哪挲g、膨脹、歷史和內(nèi)容知識精確到前所未有的水平。

還有更多：正如阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論所預(yù)言的那樣，巨大的物體扭曲了它們周圍的時空結(jié)構(gòu)，扭曲了一切經(jīng)過它們附近物體的路徑，甚至光也不例外。這種現(xiàn)象被稱為引力透鏡，也影響普朗克對宇宙微波背景輻射的測量。宇宙微波背景輻射攜帶著一種大規(guī)模物質(zhì)分布的印記，最古老宇宙光在到達衛(wèi)星的過程中遇到了這種物質(zhì)。我們知道星系是在一個看不見的暗物質(zhì)‘腳手架’內(nèi)形成和演化，不能直接觀察到它，但我們可以利用印在宇宙微波背景上的引力透鏡畸變來了解星系周圍的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

宇宙微波背景的引力透鏡現(xiàn)象。圖片：ESA and the Planck Collaboration

宇宙微波背景輻射的引力透鏡扭曲很小，在大約10分鐘的弧形尺度上重新排列了宇宙微波背景輻射的天空圖像——相當(dāng)于滿月直徑的三分之一。但是，在統(tǒng)計方法的幫助下，許多來自天空的微小偏轉(zhuǎn)可以結(jié)合起來，獲得更強信號，將圍繞許多類星體收集的數(shù)據(jù)堆積起來。在他們的研究中，Geach及其同事分析了普朗克團隊獲得的最新引力透鏡圖，該團隊于2018年作為普朗克遺產(chǎn)發(fā)布的一部分公開，結(jié)合從有史以來最大樣本中抽取的20萬個類星體。

通過結(jié)合普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)和如此大的類星體樣本，可以測量類星體宿主星系所在暗物質(zhì)暈的質(zhì)量，并研究不同亮度類星體的質(zhì)量如何變化。分析表明，類星體的亮度越高，其暗物質(zhì)暈的質(zhì)量就越大。這是一個令人信服的證據(jù)，表明類星體的亮度、在超大質(zhì)量黑洞附近釋放的能量(這一區(qū)域可能會持續(xù)數(shù)天的時間)和圍繞著它的暗物質(zhì)光暈及其周圍環(huán)境質(zhì)量之間存在相關(guān)性，這些光環(huán)圍繞類星體延伸了數(shù)千萬光年。使用宇宙微波背景作為一種對宇宙的‘背光’，背光已經(jīng)被前景物質(zhì)引力透鏡化。

因此通過將星系與普朗克透鏡映射相關(guān)聯(lián)，就有了一種研究星系及其演化的新方法。這一發(fā)現(xiàn)支持了類星體形成的理論模型，該模型預(yù)測了類星體的光度與暈質(zhì)量之間的相關(guān)性，尤其是對于最明亮的類星體，那里的黑洞正在以接近最大速率吸收物質(zhì)。這項研究集中在遙遠的類星體上，這些類星體是在宇宙大約40億年的時候被觀測到，大約是目前將近138億年類星體年齡的三分之一。這接近超大質(zhì)量黑洞增長的頂峰時期。結(jié)合未來更深入的類星體研究。

普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以使科學(xué)家們把這些研究推到宇宙歷史上更早的時期，直到第一個類星體形成的時代。歐洲航天局普朗克項目科學(xué)家簡·陶伯(Jan Tauber)說：這個結(jié)果顯示了普朗克引力透鏡測量的威力，這使我們有可能測量星系形成和演化過程中暗物質(zhì)的隱形結(jié)構(gòu)。普朗克衛(wèi)星的遺產(chǎn)是相當(dāng)驚人的，數(shù)據(jù)被用于比最初設(shè)想的更廣泛的科學(xué)應(yīng)用。其研究成果由J. E. Geach等人發(fā)在《天體物理學(xué)》第874卷第1期上。