WFIRST将为揭开暗物质之谜添砖加瓦


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WFIRST将为揭开暗物质之谜添砖加瓦

在这张由哈勃太空望远镜拍摄的图像中,充斥在星系之间的是一些神秘的蓝光弧。这些实际上是星团后面遥远星系的扭曲图像。所有正常物质和暗物质聚集在星系团内部,它们共同的引力扭曲了时空,影响了穿过星系团向地球传播的光。
版权:美国国家航空航天局(NASA),欧洲航天局(ESA),J. Lotz和HFF团队(STScI)

暗物质的真正性质是宇宙中最大的谜团之一。科学家们正试图确定暗物质到底是由什么组成的,以便能够对其进行直接探测,但我们目前的认识有很多差距,很难知道我们究竟在寻找什么。宽视场红外巡天望远镜(Wide-Field Infrared Survey Telescope,WFIRST)探测宇宙大范围区域的能力将通过探索普通物质和暗物质在空间和时间上的结构及分布来帮助我们弄清楚暗物质是由什么组成的。

为什么暗物质是一个如此令人困惑的话题?科学家们首次怀疑暗物质的存在是在80多年前,当时瑞士裔美国天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)观察到后发星系团(Coma Cluster)中的星系移动得如此之快,它们本应被抛向太空,却被看不见的物质通过引力作用与使其与星系团束缚在一起。然后在20世纪70年代,美国天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)在单个螺旋星系中发现了同样类型的问题。恒星向星系边缘移动的速度太快,以至于不能被星系中的可见发光物质所控制 - 这些星系中一定有比我们所能看到的更多的物质来将恒星保持在轨道上。自从这些发现以来,科学家们一直在试图利用稀少的线索来拼凑这个谜题。

目前有各种各样的暗物质候选。我们甚至不知道暗物质粒子的质量是多少,这使得我们很难找到寻找它们的最佳方法。由于暗物质的引力效应,WFIRST的宽视场调查将为通过迄今为止最详细的暗物质研究提供全面的星系和星系团在宇宙中的分布情况。这些调查将对暗物质的基本性质提供新的见解,这将使科学家能够改进他们的搜索技术。

大多数关于暗物质粒子性质的理论认为,它们几乎从不与正常物质相互作用。即使有人把一大块暗物质扔到你头上,你也可能什么都看不见。你没有任何方法来探测其存在 - 当涉及到暗物质时,你所有的感官都毫无意义。你甚至无法阻止它径直穿过你的身体,冲向地心。

这不会发生在诸如猫或人等常规物质上,因为地面原子和人体原子之间的作用力阻止我们从地球表面坠落,但是暗物质的行为却很奇怪。暗物质是如此不显眼,以至于用望远镜都看不见它。望远镜以人类肉眼看不到的光的形式(从无线电波到高能伽马射线)对宇宙进行观测。

暗物质“透镜”

如果暗物质是看不见的,我们怎么知道它存在呢?虽然暗物质在大多数情况下不会与普通物质发生相互作用,但它确实会对普通物质产生引力影响(这也是几十年前暗物质是如何被首次发现),因此我们可以通过观察星系团(宇宙中最庞大的结构)来绘制暗物质的存在地图。

WFIRST将为揭开暗物质之谜添砖加瓦

这张哈勃太空望远镜的马赛克图显示了巨大的后发座星系团(Coma galaxy cluster)的一部分,它包含了1000多个星系,位于3亿光年之外。其星系的快速运动是暗物质存在的第一个线索。
版权:NASA,ESA,J. Mack (STScI)和J. Madrid(澳大利亚望远镜国家设施)

光总是沿直线传播,但时空(宇宙的组成部分)却因其内部质量的聚集而弯曲。所以当光经过一个质量体时,它的路径也会弯曲:在弯曲空间中是一条直线。正常情况下,在星系团附近通过的光线会向星系团弯曲汇聚,从而产生增强的背景光源图像,有时还会产生多幅背景光源图像。这个过程被称为“强引力透镜”(strong gravitational lensing),它将星系团转变成巨大的天然望远镜,让我们得以瞥见遥远的宇宙物体,而这些物体通常因为太过微弱而无法看见。

由于更多的质量会导致更强的透镜效应,引力透镜观测提供了确定物质在星系团中的位置和数量的方法。科学家们发现,我们在星系团中看到的所有可见物质都不足以产生所观察到的扭曲效应。是暗物质提供了剩余的引力。

科学家们借助NASA的威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,WMAP)等实验,通过测量最早期宇宙中有多少普通物质以及有多少暗物质,证实了之前的观察结果。尽管普通物质构成了我们所能看到的一切,但宇宙中所包含的暗物质必须是普通物质的五倍以上,才能符合我们的观测结果。

WFIRST将在先前暗物质研究的基础上,利用所谓的弱引力透镜(weak gravitational lensing)来追踪较小的暗物质团如何扭曲更遥远星系的明显形状。在这种更精细的尺度上观察透镜效应,将使科学家能够填补我们对暗物质理解的更多空白。

该任务将测量数亿星系中普通物质和暗物质的位置及数量。在整个宇宙历史中,暗物质一直推动着恒星和星系的形成及演化。如果暗物质是由重而移动速度缓慢的粒子组成,那么它将很容易聚集在一起,WFIRST应该在宇宙历史早期观测到星系的形成。如果暗物质是由更轻、移动速度更快的粒子组成,那么将需要更长的时间来形成团块,并形成大规模的结构。

WFIRST的引力透镜研究将使我们能够及时回溯,以追踪星系和星系团在暗物质影响下是如何形成的。如果天文学家能够缩小暗物质粒子的候选范围,我们就离在地球上直接探测它们又近了一步。

来源:https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/wfirst-will-add-pieces-to-the-dark-matter-puzzle

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