哈勃最新数据表明,当前的暗物质理论缺少一种成分

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hb.png哈勃太空望远镜的这张图片显示了庞大的星系团MACSJ1206。嵌入星团内的是远处背景星系的扭曲图像,被看作是弧形和拖影特征。这些畸变是由星团中的暗物质引起的,其暗物质的引力会弯曲并放大来自遥远星系的光线,这种现象称为引力透镜。这种现象使天文学家可以研究遥远的星系,否则这些星系将很难被发现。天文学家测量了由该星团引起的引力透镜作用的量,以产生其中暗物质分布的详细图。暗物质是一种看不见的粘合剂,它将恒星束缚在一起,并构成了整个宇宙中的大部分物质。

图片来源:NASA,ESA,G。Caminha(格罗宁根大学),M。Meneghetti(博洛尼亚天体物理学和空间科学天文台),P。Natarajan(耶鲁大学)和CLASH团队

NASA / ESA哈勃太空望远镜和欧洲南方天文台的超大望远镜(VLT)在智利的观测发现,暗物质的行为理论可能有些缺失。这种缺少的成分可以解释为什么研究人员发现了在大规模星系团样本中对暗物质浓度的观察与理论上的暗物质应如何在团中分布的模拟之间的出乎意料的差异。新发现表明,一些小范围的暗物质浓度产生的透镜效应比预期的强十倍。


暗物质是一种看不见的胶,它将星,尘埃和气体保持在一个星系中。这种神秘的物质构成了星系质量的大部分,并构成了我们宇宙大规模结构的基础。由于暗物质不会发射,吸收或反射光,因此只有通过其对空间可见物质的引力才能知道暗物质的存在。天文学家和物理学家仍在努力确定它的含义。


银河星团是宇宙中规模最大,最近组装的结构,也是最大的暗物质仓库。星团由各个成员星系组成,这些星系在很大程度上由暗物质的引力保持在一起。


“银河星团是理想的实验室,用于研究目前可用的宇宙数值模拟能否很好地再现我们从引力透镜所能推断出的结果,”意大利博洛尼亚天体物理学与空间科学天文台的Massimo Meneghetti说,该研究的主要作者。


“我们已经对这项研究中的数据进行了大量测试,我们确信这种失配表明模拟或我们对暗物质性质的理解中缺少某些物理成分,” Meneghetti补充说。


研究团队的高级理论家之一,美国康涅狄格州耶鲁大学的Priyamvada Natarajan补充说:“我们目前的理论模型根本无法捕捉到真正的宇宙的一个特征。” “这可能标志着我们目前对暗物质的性质及其性质的理解存在差距,因为这些精美的数据使我们能够在最小尺度上探究暗物质的详细分布。”


暗物质在团簇中的分布是通过测量它们产生的光的弯曲度(即引力透镜效应)来绘制的。聚集在簇中的暗物质的引力放大并扭曲了来自远处背景物体的光。这种效应会使背景星系的形状出现畸变,出现在星团的图像中。引力透镜通常还可以产生同一遥远星系的多个图像。


团簇中暗物质的浓度越高,其光弯曲效果越显着。与单个星团星系相关的小规模暗物质团的存在会增强畸变的水平。从某种意义上说,星系团就像一个大型透镜,其中嵌入了许多较小的透镜。


哈勃的清晰图像是由望远镜的广角相机3和高级测量相机拍摄的。结合欧洲南方天文台的超大望远镜(VLT)的光谱,该团队绘制了准确的,高保真度的暗物质地图。通过测量透镜的畸变,天文学家可以找出暗物质的数量和分布。三个关键的星系团MACS J1206.2-0847,MACS J0416.1-2403和Abell S1063是两个哈勃望远镜测量的一部分:前沿场和哈勃望远镜(CLASH)程序进行的星团透镜和超新星测量。


令团队惊讶的是,除了每个星团的引力透镜产生的引人注目的弧形和遥远星系的拉长特征外,哈勃影像还显示出意想不到的小规模弧形和扭曲的图像,它们嵌套在每个星团的核心附近,其中最大星系居住。研究人员认为,嵌套透镜是由单个星系星团内部密集浓度的物质引力产生的。后续的光谱观测测量了在几个星系星团内部绕行运行的恒星的速度,从而降低了它们的质量。


“哈勃望远镜和VLT的数据提供了出色的协同作用,”领导光谱研究活动的意大利大学费拉拉大学的研究团队成员Piero Rosati分享到。“我们能够将星系与每个星团相关联,并估计它们的距离。”


意大利博洛尼亚INAF天体物理与空间科学天文台的小组成员Pietro Bergamini补充说:“恒星的速度使我们可以估算出每个星系的质量,包括暗物质的量。”


通过将哈勃成像和VLT光谱相结合,天文学家能够识别出数十个经过多重成像,透镜化的背景星系。这样一来,他们就可以组装出每个群集中暗物质质量分布的经过良好校准的高分辨率图。


该团队将暗物质图与质量相似,距离大致相同的模拟星系团样本进行了比较。计算机模型中的星团在最小尺度上没有显示出相同水平的暗物质浓度,这些尺度与单个星团星系相关。


意大利的里雅斯特INAF天文台的成员Elena Rasia说:“这些分析的结果进一步证明了观测和数值模拟是如何相辅相成的。


“通过高分辨率的模拟,我们可以匹配本文分析的观察结果的质量,从而可以前所未有地进行详细的比较,”意大利的里雅斯特大学斯特里凡诺大学的Stefano Borgani补充说。


天文学家,包括该团队的天文学家,希望继续探索暗物质及其奥秘,以便最终确定其本质。


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