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哈勃望远镜拍摄的图像揭示暗物质问题

天文学家在研究哈勃太空望远镜拍摄的大质量星系团图像时发现了暗物质的一个潜在问题。

（这张哈勃太空望远镜拍摄的图片显示的是星系团MACS J0416.1–2403，它是该研究涉及的几个大质量星系团之一。图源：ESA / NASA / Hubble Space Telescope Frontier Fields, Mathilde Jauzac and Jean-Paul Kneib）

星系团是宇宙中最大的引力束缚结构体，同时它们的质量也最大，不仅包括数百个星系中人类所能看到的恒星和气体，还包括在星系团内部以及周围人类不可见的暗物质。

（图解：从引力透镜产生的效应，星系团CL0024+17内部被发现存在有一个暗物质圈，在这张哈勃太空望远镜像片里以蓝色显示出来。图源：wikipedia）

在9月11日的《科学》杂志上，马西莫•梅内盖蒂（Massimo Meneghetti）（来自意大利国家天体物理学研究所和加州理工学院）和他的同事展示了一种使星团中看不见的暗物质可视化的新方法。然而其结果似乎与理论学家所预想的相矛盾。

揉成一团

理论学家早就知道暗物质并不是均匀的。相反，围绕在星系以及星系团周围的暗物质晕就像一个糟糕的烘焙项目，具有团块，天文学家将这种块状物称为“子晕”（subhalo）。

（这幅艺术家的印象画展示了在MACS J1206星系团中小规模聚集的暗物质。图源：ESA/Hubble, M. Kornmesser）

不管是晕还是子晕，它们就像揉过的面团一样，并不是处于静止状态。梅内盖蒂说：“（子晕）围绕星团中心作轨道运动，与包含它们的更大的晕相互作用，偶尔也会和其他的子晕发生碰撞、相互融合。”

在一个星团中的数百个星系之间应该有很多子晕——天文学模拟能够具体说明我们可能猜想的数量。其中一些子晕可能会含有恒星，有的甚至能够像矮星系一样被人类隐约观测到，其他的则可能是完全黑暗。大多数子晕在任何情况下都很难被观测到。

梅内盖蒂的团队想出了一个解决办法。由于星系团的质量巨大，所以它们能够像一个引力放大镜一样发挥作用：来自背景星系的光线经过时会弯曲成弧形或成多个像。一个星系团的质量可能形成相隔几十角秒的像，但若子晕处于星系团中恰好的位置就有可能产生相隔仅几角秒的额外像。

该团队利用具体的图像和详细的数据检测了几个星系团，并计算出只有子晕才能制造出的小型透镜数量。这些图像和数据均来自哈勃太空望远镜以及位于智利的欧洲南方天文台(the European Southern Observatory)超大型望远镜。随后团队人员观察了宇宙学模拟所预测的结果。

（这张哈勃太空望远镜拍摄的图片显示的是大质量星系团MACSJ 1206，图片中放大的三个小图分别表示：指环、三重影像的星系、“爱因斯坦十字架”。图源：NASA / ESA / G. Caminha (Univ. of Groningen) / M. Meneghetti (Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna) / P. Natarajan (Yale) / CLASH team）

然而令研究人员惊讶的是，宇宙学模拟预测到的晕数量远比观测到的少得多。尽管他们试图解释这一差异，但答案并没那么简单。

该团队的成员普里亚姆瓦达•那塔拉印（Priyamvada Natarajan）（来自耶鲁大学）说：“对于我个人而言，发现观测结果和理论预测之间有着如此大的差距——在这种情况下相差10倍——是非常令人兴奋的。”

弗兰克•范登伯希（Frank van den Bosch）（来自耶鲁大学）尽管没有参与这项研究，但他称该结果“可能十分具有突破性意义”。

他说：“团队成员讨论了可能解释这一现象的所有‘明显’原因。不过我同意他们的观点：所有的原因看起来都不太能解释发现的这一巨大差异。”他接着补充说这一结果可能会引发后续的一系列研究来检测暗物质团块的丰度、结构以及其他的性质。

与“卫星星系失踪问题”相反

巧合的是，梅内盖蒂和他的同事们发现的暗物质“问题”与困扰天文学家数十年、现已解决的难题“卫星星系失踪问题”正好相反。

早些时候宇宙学模拟只能针对暗物质的行为建立模型，因为它在引力作用上支配着宇宙。但这些模拟同时预测了像银河系这样的星系应该包括更多的卫星。即使望远镜技术得到提升或天文学家发现了光度更加弱的矮星系，它们仍然不能弥补这一差异。直到宇宙学模拟开始将常规的物质，包括超新星的所有爆炸效应、喷射物质的黑洞等其他一切考虑在内，先前预测的数字才开始和观测结果相符。

（图解：一颗爆炸的恒星。图源：wikipedia）

虽然现在天文学家面临着截然相反的问题：子晕的数量太多而不是太少，但问题对象的级别程度也完全不同——如今的对象是星系团而不是星系，是质量大的子晕而不是极小的子晕。

梅内盖蒂说：“卫星星系失踪问题解决的对象是星系中的小质量子晕，但在这我们讨论的是子晕分布中质量最大的那部分。”

（图解：矮星系NGC 1140。图源：wikipedia）

不过，这个类比仍然表明新“问题”可能会帮助我们更多地了解暗物质。梅内盖蒂说：“在尚未探索的暗物质模型背景下存在着许多和星系团中的星系形成与演变相关的问题，特别是关于普通物质与暗物质的相互作用问题。”

对于分析更多星系团这一任务来说，当前还有很多工作要做，更不用说探索其他的暗物质候选者了。在未来的几年里，欧洲航天局（the European Space Agency）的“欧几里得”天文任务、维拉鲁宾天文台（the Vera C. Rubin Observatory）、美国航空航天局（NASA）的南希•格雷斯•罗曼太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）都将提供前所未有的机会来探测星系团的暗物质结构。梅内盖蒂说：“这些观测机会对于我们来说就像金矿一般！”

by:MONICA YOUNG

FY: 何者

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