?

?

哈勃望遠鏡拍攝的圖像揭示暗物質(zhì)問題

?

天文學家在研究哈勃太空望遠鏡拍攝的大質(zhì)量星系團圖像時發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的一個潛在問題。

?

（這張哈勃太空望遠鏡拍攝的圖片顯示的是星系團MACS J0416.1–2403，它是該研究涉及的幾個大質(zhì)量星系團之一。圖源：ESA / NASA / Hubble Space Telescope Frontier Fields, Mathilde Jauzac and Jean-Paul Kneib）

?

星系團是宇宙中最大的引力束縛結(jié)構(gòu)體，同時它們的質(zhì)量也最大，不僅包括數(shù)百個星系中人類所能看到的恒星和氣體，還包括在星系團內(nèi)部以及周圍人類不可見的暗物質(zhì)。

?

（圖解：從引力透鏡產(chǎn)生的效應，星系團CL0024+17內(nèi)部被發(fā)現(xiàn)存在有一個暗物質(zhì)圈，在這張哈勃太空望遠鏡像片里以藍色顯示出來。圖源：wikipedia）

?

在9月11日的《科學》雜志上，馬西莫?梅內(nèi)蓋蒂（Massimo Meneghetti）（來自意大利國家天體物理學研究所和加州理工學院）和他的同事展示了一種使星團中看不見的暗物質(zhì)可視化的新方法。然而其結(jié)果似乎與理論學家所預想的相矛盾。

?

揉成一團

?

理論學家早就知道暗物質(zhì)并不是均勻的。相反，圍繞在星系以及星系團周圍的暗物質(zhì)暈就像一個糟糕的烘焙項目，具有團塊，天文學家將這種塊狀物稱為“子暈”（subhalo）。

?

（這幅藝術(shù)家的印象畫展示了在MACS J1206星系團中小規(guī)模聚集的暗物質(zhì)。圖源：ESA/Hubble, M. Kornmesser）

?

不管是暈還是子暈，它們就像揉過的面團一樣，并不是處于靜止狀態(tài)。梅內(nèi)蓋蒂說：“（子暈）圍繞星團中心作軌道運動，與包含它們的更大的暈相互作用，偶爾也會和其他的子暈發(fā)生碰撞、相互融合?！?/p>

?

在一個星團中的數(shù)百個星系之間應該有很多子暈——天文學模擬能夠具體說明我們可能猜想的數(shù)量。其中一些子暈可能會含有恒星，有的甚至能夠像矮星系一樣被人類隱約觀測到，其他的則可能是完全黑暗。大多數(shù)子暈在任何情況下都很難被觀測到。

?

梅內(nèi)蓋蒂的團隊想出了一個解決辦法。由于星系團的質(zhì)量巨大，所以它們能夠像一個引力放大鏡一樣發(fā)揮作用：來自背景星系的光線經(jīng)過時會彎曲成弧形或成多個像。一個星系團的質(zhì)量可能形成相隔幾十角秒的像，但若子暈處于星系團中恰好的位置就有可能產(chǎn)生相隔僅幾角秒的額外像。

?

該團隊利用具體的圖像和詳細的數(shù)據(jù)檢測了幾個星系團，并計算出只有子暈才能制造出的小型透鏡數(shù)量。這些圖像和數(shù)據(jù)均來自哈勃太空望遠鏡以及位于智利的歐洲南方天文臺(the European Southern Observatory)超大型望遠鏡。隨后團隊人員觀察了宇宙學模擬所預測的結(jié)果。

（這張哈勃太空望遠鏡拍攝的圖片顯示的是大質(zhì)量星系團MACSJ 1206，圖片中放大的三個小圖分別表示：指環(huán)、三重影像的星系、“愛因斯坦十字架”。圖源：NASA / ESA / G. Caminha (Univ. of Groningen) / M. Meneghetti (Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna) / P. Natarajan (Yale) / CLASH team）

?

然而令研究人員驚訝的是，宇宙學模擬預測到的暈數(shù)量遠比觀測到的少得多。盡管他們試圖解釋這一差異，但答案并沒那么簡單。

?

該團隊的成員普里亞姆瓦達?那塔拉?。≒riyamvada Natarajan）（來自耶魯大學）說：“對于我個人而言，發(fā)現(xiàn)觀測結(jié)果和理論預測之間有著如此大的差距——在這種情況下相差10倍——是非常令人興奮的?！?/p>

?

弗蘭克?范登伯希（Frank van den Bosch）（來自耶魯大學）盡管沒有參與這項研究，但他稱該結(jié)果“可能十分具有突破性意義”。

?

他說：“團隊成員討論了可能解釋這一現(xiàn)象的所有‘明顯’原因。不過我同意他們的觀點：所有的原因看起來都不太能解釋發(fā)現(xiàn)的這一巨大差異。”他接著補充說這一結(jié)果可能會引發(fā)后續(xù)的一系列研究來檢測暗物質(zhì)團塊的豐度、結(jié)構(gòu)以及其他的性質(zhì)。

?

與“衛(wèi)星星系失蹤問題”相反

?

巧合的是，梅內(nèi)蓋蒂和他的同事們發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)“問題”與困擾天文學家數(shù)十年、現(xiàn)已解決的難題“衛(wèi)星星系失蹤問題”正好相反。

?

早些時候宇宙學模擬只能針對暗物質(zhì)的行為建立模型，因為它在引力作用上支配著宇宙。但這些模擬同時預測了像銀河系這樣的星系應該包括更多的衛(wèi)星。即使望遠鏡技術(shù)得到提升或天文學家發(fā)現(xiàn)了光度更加弱的矮星系，它們?nèi)匀徊荒軓浹a這一差異。直到宇宙學模擬開始將常規(guī)的物質(zhì)，包括超新星的所有爆炸效應、噴射物質(zhì)的黑洞等其他一切考慮在內(nèi)，先前預測的數(shù)字才開始和觀測結(jié)果相符。

?

（圖解：一顆爆炸的恒星。圖源：wikipedia）

?

雖然現(xiàn)在天文學家面臨著截然相反的問題：子暈的數(shù)量太多而不是太少，但問題對象的級別程度也完全不同——如今的對象是星系團而不是星系，是質(zhì)量大的子暈而不是極小的子暈。

?

梅內(nèi)蓋蒂說：“衛(wèi)星星系失蹤問題解決的對象是星系中的小質(zhì)量子暈，但在這我們討論的是子暈分布中質(zhì)量最大的那部分。”

?

（圖解：矮星系NGC 1140。圖源：wikipedia）

?

不過，這個類比仍然表明新“問題”可能會幫助我們更多地了解暗物質(zhì)。梅內(nèi)蓋蒂說：“在尚未探索的暗物質(zhì)模型背景下存在著許多和星系團中的星系形成與演變相關(guān)的問題，特別是關(guān)于普通物質(zhì)與暗物質(zhì)的相互作用問題?！?/p>

?

對于分析更多星系團這一任務來說，當前還有很多工作要做，更不用說探索其他的暗物質(zhì)候選者了。在未來的幾年里，歐洲航天局（the European Space Agency）的“歐幾里得”天文任務、維拉魯賓天文臺（the Vera C. Rubin Observatory）、美國航空航天局（NASA）的南希?格雷斯?羅曼太空望遠鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope）都將提供前所未有的機會來探測星系團的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)。梅內(nèi)蓋蒂說：“這些觀測機會對于我們來說就像金礦一般！”

by: MONICA YOUNG

FY: 何者

?

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處

?