天文学家们利用NASA哈勃太空望远镜和一项新的观测技术,天文学家发现暗物质形成的团块比以前所知的要小得多。这个结果证实了被广泛接受的“冷暗物质”理论的一个基本预测。

根据这个理论,所有的星系都形成并嵌入在暗物质中。暗物质本身由缓慢移动的或“冷”粒子组成,它们聚集在一起形成的结构,从质量银河系几十万倍的,到质量不超过商用飞机重量的团块。(在这里,“冷”指的是粒子的速度。)

哈勃的观测使我们对暗物质的性质和它的活动方式有了新的认识。“我们对冷暗物质模型进行了非常有说服力的观测测试,它出色的通过了。”加州学洛杉矶分校(UCLA)的TommasoTreu说,他是观察小组的成员之一。

暗物质是一种看不见的物质,它构成了宇宙的大部分质量,并为星系的形成提供了基础。尽管天文学家看不到暗物质,但他们可以通过测量其重力如何影响恒星和星系来间接检测其存在。通过寻找嵌入的恒星来探测最小的暗物质结构可能是困难的或不可能的,因为它们包含的恒星很少。

虽然在大星系和中型星系周围已经发现了暗物质的聚集,但是到目前为止还没有发现更小的暗物质团块。在缺乏观测证据的情况下,一些研究人员提出了替代理论,包括“暖暗物质”。这一观点表明暗物质粒子正在快速移动,速度太快,无法合并形成更小的浓度。新的观测结果并不支持这一假设,发现暗物质比温暖暗物质替代理论认为的“更冷”。

“暗物质比我们在小尺度上所知道的要冷得多,”位于加州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室的AnnaNierenberg说。“天文学家以前已经对暗物质理论进行了其他的观察性测试,但是我们的实验为小块冷暗物质的存在提供了迄今为止最有力的证据。”通过结合最新的理论预测、统计工具和新的哈勃观测,我们现在得到了比以前更可靠的结果。”

寻找缺乏恒星的暗物质是一项艰巨的任务。然而,哈勃研究小组使用了一种技术,他们不需要寻找恒星作为暗物质示踪剂的引力影响。研究小组瞄准了8个强大而遥远的宇宙“街灯”,这些“街灯”被称为类星体(活跃的黑洞周围发出大量光的区域)。天文学家们测量了在每个类星体的黑轨道上运行的氧气和氖气体发出的光是如何被一个巨大的前景星系的引力扭曲的,该星系起着放大镜的作用。

每一张哈勃太空望远镜的快照都显示了四张背景类星体及其宿主星系的扭曲图像,它们围绕着一个前景中的大质量星系的中心核心。巨大的前景星系的引力就像一个放大镜,通过一种被称为引力透镜的效应来扭曲类星体的光线。类星体是由活跃的黑洞产生的极其遥远的宇宙街灯。由于前景星系和背景类星体之间需要近乎精确的对齐,这样的四倍类星体图像是罕见的。天文学家利用引力透镜效应探测到迄今为止发现的最小的暗物质团块。这些团块位于望远镜观测到类星体的视线范围内,以及前景透镜星系的内部和周围。暗物质浓度的存在改变了每个扭曲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类星体图像在没有暗物质团块影响的情况下的样子进行了比较。研究人员利用这些测量数据来计算微小暗物质浓度的质量。哈勃望远镜的广角相机3号捕获了每个类星体的近红外光,并将其分散成不同的颜色,以便进行光谱研究。这些照片拍摄于2015年至2018年。
来源:NASA,ESA,A.Nierenberg(JPL)andT.Treu(UCLA)

通过这种方法,研究小组发现了沿着望远镜视线到类星体的暗物质团块,以及在这些相互干涉的透镜星系内和周围的暗物质团块。哈勃探测到的暗物质浓度是银河系暗物质晕质量的1/10000到1/100000倍。许多这些微小的星系群很可能甚至不包含小星系,因此用传统的寻找嵌入恒星的方法是不可能探测到它们的。

暗物质团块的存在改变了每个扭曲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类星体图像在没有暗物质影响的情况下的样子进行了比较。研究人员利用这些测量数据来计算微小暗物质浓度的质量。为了分析数据,研究人员还开发了复杂的计算程序和密集的重建技术。

“想象一下,这八个星系中的每一个都是一个巨大的放大镜,”加州大学洛杉矶分校的研究小组成员丹尼尔·吉尔曼解释说。“小小的暗物质团块就像放大镜上的小裂缝一样,改变了这四幅类星体图像的亮度和位置,这与你在放大镜光滑时看到的景象形成了对比。”

研究人员利用哈勃的广角相机3号捕捉到每个类星体发出的近红外光,并将其分散成不同的颜色,用光谱学进行研究。背景类星体独特的发射物在红外线下最容易被看到。“哈勃望远镜的太空观测使我们能够在星系系统中进行这些测量,而这些测量是用较低分辨率的地面望远镜无法实现的,而地球大气层对于我们需要观测的红外光是不透明的。”加州大学洛杉矶分校的研究小组成员Simon Birrer解释说。

Treu补充说:“令人难以置信的是,经过近30年的运行,哈勃望远镜使我们能够对基础物理学和宇宙的本质进行前沿观察,这是我们在发射哈勃望远镜时做梦也没想到的。”

引力透镜是通过对地面调查(例如斯隆数字天空调查和暗能量调查)进行筛选而发现的,这些调查提供了有史以来最详尽的宇宙三维地图。类星体距离地球大约100亿光年;而前景星系距离地球大约20亿光年。

该图形说明了一个遥远的类星体的光是如何被一个巨大的前景星系和沿着光路聚集的微小暗物质改变的。星系强大的引力扭曲并放大了类星体的光,产生了四张扭曲的类星体图像。这些暗物质聚集在哈勃太空望远镜观测到的类星体的视线范围内,以及前景星系的内部和周围。暗物质团块的存在改变了每一个被扭曲的类星体图像的表观亮度和位置,通过扭曲和轻微弯曲光线从遥远的类星体传播到地球,如图中扭动的线条所示。天文学家将这些测量结果与类星体图像在没有暗物质团块影响的情况下的样子进行了比较。研究人员利用这些测量数据来计算微小暗物质浓度的质量。类星体的四倍图像很少见,因为它的背景类星体和前景星系需要近乎完美的排列。
来源:NASA, ESA and D. Player (STScI)

研究中发现的小结构的数量为暗物质的性质提供了更多的线索。“暗物质的粒子特性会影响形成多少团块。”尼伦伯格解释说。“这意味着你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谜。“目前,实验室没有直接证据表明存在暗物质颗粒。”比勒说。“根据对宇宙暗物质的观察,如果宇宙学家不说暗物质存在,粒子物理学家甚至不会谈论暗物质。当我们的宇宙学家谈论暗物质时,我们在问’它如何控制宇宙的出现,在什么尺度上?”

天文学家将能够使用未来的NASA太空望远镜,如詹姆斯·韦伯太空望远镜广域红外探测望远镜(WFIRST),对暗物质进行后续研究,这两个望远镜都是红外天文台。韦伯将能够有效地获得所有已知的四透镜类星体的这些测量数据。WFIRST望远镜的清晰度和大视野将有助于天文学家观察受大型星系和星系团巨大引力场影响的整个空间区域。这将有助于研究人员发现更多此类稀有系统。

研究小组将在夏威夷檀香山召开的美国天文学会第235届会议上公布他们的研究结果。

哈勃太空望远镜是NASA和ESA(欧洲航天局)之间国际合作的项目。位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心负责管理该望远镜。位于马里兰州巴尔的摩市的太空望远镜科学研究所(STScI)负责哈勃的科学运作。STScI由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运营。

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

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