[大型路灯] 哈勃发现迄今最小的暗物质团块

2020年01月16日 2649
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利用美国航空航天局(NASA)的哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)和一种新的观测技术,天文学家发现暗物质能够形成比此前已知要小得多的的团块。这一新的结果证实了受到广泛认可的“冷暗物质”(Cold Dark Matter,CDM)理论的基本预测之一。

依据冷暗物质理论,所有星系都诞生于暗物质云中,并分散嵌于暗物质云里。暗物质(dark matter)本身由缓慢移动的,或者说“冷”的粒子组成,这些粒子聚在一起形成各式各样的团聚结构,范围从质量不超过商用飞机的小型团块,到质量数十万倍于银河系的巨型结构。(在这篇文章中,“冷”指的是粒子的速度缓慢。)

哈勃望远镜的观测结果为暗物质的性质和行为提供了新的见解,观测团队的成员托马索特鲁(Tommaso Treu)表示:“我们对冷暗物质模型进行了非常有说服力的观测试验,结果显示模型非常成功。”特鲁来自加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles,UCLA)。

暗物质是一种不可见的物质形式,它可能是宇宙物质的主要组成部分,占全部物质总质量的绝大部分,同时构建出了宇宙星系所依赖建立的支架。尽管天文学家无法看到暗物质,但通过测量其重力对恒星和星系的影响方式,他们可以间接检测暗物质的存在。想要找到嵌在暗物质中的恒星来探测最小的暗物质结构,实际上非常困难甚至略显荒诞,因为最小的暗物质结构所包含的恒星实在太少了。

尽管在大型和中等大小的星系周围都检测到过暗物质结构,但是到目前为止,还没有发现体型更小的暗物质团块。正是由于对小型暗物质团块的观测证据仍一片空白,一部分研究人员已经提出了其他的暗物质理论,包括“温暗物质”(Warm Dark Matter,WDM)理论,这个假设则表明,暗物质粒子正在以较快的速度移动,过快的移动速度让暗物质粒子无法合并形成较小的浓度结构。然而,哈勃最新的观测结果让这种设想不攻自破:暗物质实际上比作为备选的温暗物质理论所描述的要“冷”。

“在尺寸较小的情况下,暗物质比我们所了解的要冷得多。”哈勃空间望远镜的负责人安娜尼伦伯格(Anna Nierenberg)说道,“此前,天文学家曾对各种暗物质理论进行过其他的观测试验,但这一次我们的观测提供了迄今为止最强有力的证据,证明了一小团冷暗物质的存在。结合最新的理论预测、统计工具和哈勃最新的观测,我们现在得到的结果比以往更为可靠。”尼伦伯格来自位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)。

事实证明,如果缺乏嵌在其中的恒星,寻找相关的暗物质结构将非常棘手。但是,哈勃研究团队使用了一种特殊的技术,让他们不再需要寻找作为暗物质示踪剂的恒星引力影响。研究团队借助了能量巨大而距离遥远的8盏宇宙“路灯”的指引,也就是被称为类星体(quasar)的一种天体。类星体即类似恒星的天体,位于活跃黑洞的周围区域,是一种在极其遥远距离外的高光度天体,拥有的超常亮度使其在100亿光年以外的距离处也能被观测到。环绕着类星体黑洞的氧气和氖气所发出的光,受巨大前景星系(foreground galaxy)的引力影响而扭曲变形,产生了引力透镜效应(gravitational lens effect),其中前景星系起到了放大镜的作用,天文学家正是利用引力透镜效应分析出的暗物质空间分布。

哈勃空间望远镜的每张快照,都揭示了一个背景类星体及其主星系围绕前景大星系核心的四重变形图像。巨大前景星系的引力让类星体发出的光发生了扭曲变形,发挥了放大镜般的作用,这种现象被称为引力透镜效应。类星体是由活跃的黑洞产生的极为遥远的“宇宙路灯”,由于前景星系和背景类星体之间需要近乎精确的对准,因此这类类星体的四重影响非常少见。正是利用了引力透镜效应,天文学家发现了有史以来最小的暗物质团块。这一暗物质团块正巧位于望远镜到类星体的视线之上,同时也位于前景星系的范围之中以及周围。暗物质结构的存在会改变每个扭曲过的类星体图像的表观亮度和位置,天文学家将这些测量结果与不存在暗物质团块影响情况下的预测类星体图像进行了比较,利用对比所得的结果,就能计算微小暗物质结构的质量。哈勃望远镜的第三代广角相机捕获了来自每个类星体的近红外光,并进一步分散成其组成颜色,以便进行光谱研究。以上的图像拍摄于2015年至2018年之间。

图片来源:NASA,ESA,安娜尼伦伯格(JPL)以及托马索特鲁(UCLA)

利用这种方法,研究团队发现了诸多暗物质团块,它们的位置沿着望远镜视线一直到类星体,还包括作为中间透镜的前景星系之内和周围的区域。哈勃探测到的暗物质结构是银河系暗物质晕(dark matter halo)质量的万分之一至十万分之一,在很多这些微小的暗物质团中,极有可能不包含哪怕是很小的星系,因此,传统的寻找嵌入恒星的方法是无法检测到它们的。

这8个类星体和前景星系的位置对齐得非常精确,在引力透镜效应的作用下每个类星体都产生了4个不同的扭曲图像,最终呈现的效果就像是游乐园里的镜子屋,神奇而美丽。正是由于前景星系和背景类星体位置间的精确对准非常难得,这种类星体的四重扭曲图像也十分罕见,利用多重图像的数据,研究人员能够对暗物质进行更详细的分析。

暗物质团块的存在会改变类星体每个扭曲图像的表观亮度和位置。天文学家将这些测量结果与不存在暗物质团块影响情况下的预测类星体图像进行了比较,利用对比所得的结果,就能计算微小暗物质结构的质量。为了更好地对数据进行分析,研究人员还开发了复杂精细的计算程序和针对性较强的重建技术。

这张示意图说明了数百亿光年外类星体发出的光,是如何被巨大的前景星系和位于光路上的微小暗物质团块所改变的。前景星系巨大的引力扭曲并放大了类星体的光,产生了4张不同的类星体扭曲图像;暗物质团块位于哈勃空间望远镜指向类星体的视线之上,弥漫在前景星系的内部和周围,这些不可见的物质存在使得从遥远的类星体传播到地球的光线在途中发生了轻微的变形和扭曲,改变了类星体每个扭曲图像的表观亮度和位置,如图中的扭曲波动光线所示。天文学家将这些测量结果与不存在暗物质团块影响情况下的预测类星体图像进行了比较,利用对比所得的结果,就能计算微小暗物质结构的质量。由于前景星系和背景类星体之间需要近乎精确的对准,因此这类类星体的四重影响非常少见。

图片来源:NASA,ESA以及D普莱耶(D. Player,来自STScI)

汉化:哇喳@NASA爱好者

“想象一下,这8个星系中的每一个都相当于一个巨大的放大镜,”UCLA的团队成员丹尼尔吉尔曼(Daniel Gilman)解释道,“微小的暗物质团块就像放大镜上的小裂缝,与没有裂缝的平整放大镜得到的结果相比,它们的存在改变了四个类星体图像的亮度和位置。”

研究人员使用哈勃的第三代广角相机(Wide Field Camera 3,WFC 3)捕获了每个类星体发出的近红外光,并进一步分散成其组成颜色,以便进行光谱学研究。(背景类星体独特发射光的最佳观测条件,就是红外光。)“凭借较低分辨率的地面望远镜,我们无法观测到许多遥远的星系,哈勃在太空的观测则让我们有条件进行这些测量。此外,我们需要观测的红外光也无法透过地球大气。”UCLA的团队成员西蒙比勒(Simon Birrer)说道。

特鲁补充说:“令人难以置信的是,经过了近30年的运行后,哈勃让我们实现了对基本物理学和宇宙本质的前沿见解,而在发射望远镜之初,这是我们做梦都没有想到过的。”

借助例如斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)和暗能量巡天(Dark Energy Survey)这样基于地面的巡天项目,研究人员一步步筛选发现了这些引力透镜,而这些巡天项目为我们提供了有史以来最为详尽的宇宙三维地图。类星体距离地球大约100亿光年;前景星系则距离我们大约20亿光年。

研究中检测到的较小暗物质结构的数量,为暗物质的性质探究提供了更多线索。“暗物质的粒子性质会影响团块的形成数量,”尼伦伯格解释说,“这意味着我们可以通过计算小团块的数量来了解暗物质的粒子物理学。”

但是,构成暗物质的粒子类型仍然是个无解之谜。“目前,没有任何直接的实验证据表明暗物质粒子真实存在,”比勒说,“粒子物理学家甚至根本不觉得有什么暗物质,如果不是宇宙学家认为暗物质是存在的,而他们依据的则是对宇宙暗物质的观察。当我们这些宇宙学家谈论暗物质时,我们也在疑惑:'它究竟如何掌控着宇宙的整体表观,又是以什么样的尺度在掌控的呢?”

利用NASA未来的空间望远镜,例如詹姆斯韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope,JWST)和广角红外巡天望远镜(Wide Field Infrared Survey Telescope,WFIRST)这两个红外望远镜,天文学家将能够对暗物质进行进一步的后续研究。对于所有已知的四重透镜类星体,JWST将能够有效地获得相应的测量值;而WFIRST的高清晰度和广角视野,则会让天文学家更好地观察大型星系和星系团巨大引力场影响下的整个空间区域。这两架望远镜都将有助于研究人员发现更多这样的稀有天体系统。

1月8日周三,在夏威夷火奴鲁鲁举行的美国天文学会(American Astronomical Society,AAS)第235次会议上,研究团队介绍了这一最新成果。

哈勃空间望远镜是NASA和欧洲空间局(European Space Agency,ESA)的一项国际合作项目。哈勃项目由位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德航天飞行中心(Goddard Space Flight Center)负责管理,相关的科学实验由位于马里兰州巴尔的摩的空间望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute,STScI)负责执行,STScI由位于华盛顿特区的大学天文研究协会(Association of Universities for Research in Astronomy)为NASA运营。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/hubble-detects-smallest-known-dark-matter-clumps

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