“冷暗物质”突破:哈勃发现已知最小的暗物质团块

Quasar Galaxy暗物质图表图示

这幅图展示了一个遥远的类星体的光线是如何被一个巨大的前景星系和沿着光路的微小暗物质团所改变的。星系强大的引力扭曲并放大了类星体的光,产生了四幅扭曲的类星体图像。这些暗物质团块位于哈勃太空望远镜观察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个扭曲的类星体图像的亮度和位置,通过扭曲和轻微弯曲从遥远的类星体到地球的光线,如图中摆动的线条所示。天文学家将这些测量结果与没有暗物质团块影响的类星体图像的预测结果进行了比较。研究人员利用这些测量值来计算微小暗物质浓度的质量。一个类星体的四幅图像非常罕见,因为背景类星体和前景星系需要近乎完美的对齐。资料来源:NASA, ESA和D. Player (STScI)

使用美国宇航局s哈勃太空望远镜一项新的观测技术,天文学家发现暗物质形成的团块比之前所知的要小得多。这一结果证实了被广泛接受的“冷暗物质”理论的基本预测之一。

根据这一理论,所有的星系都形成并嵌入在暗物质云中。暗物质本身由缓慢移动的,或“冷的”粒子组成,这些粒子聚集在一起形成了质量为暗物质几十万倍的结构银河系星系聚集的重量不会超过一架商用飞机的重量。(在这里,“冷”指的是粒子的速度。)

哈勃观察会产生新的洞察暗物质的性质以及它的行为方式。“我们为冷暗质检模型做出了一个非常引人注目的观察试验,并通过飞行的颜色,”加州大学洛杉矶(UCLA)是观察团队成员的Tommaso Treu。

暗物质是一种无形的物质形式,它构成了宇宙的大部分质量,并创造了构建星系的脚手架。虽然天文学家看不见暗物质,但他们可以通过测量暗物质的引力如何影响恒星和星系来间接地探测到它的存在。通过寻找嵌入的恒星来探测最小的暗物质的形成是困难的,甚至是不可能的,因为它们包含的恒星很少。

哈勃太空望远镜类星体星系快照

这些哈勃太空望远镜快照中的每一个都揭示了四个背景扭曲的背景扭曲的图像及其主机星系,周围的前景巨大的星系的中心核心。大规模前景星系的重力通过在称为重力透镜的效果中翘曲Quasar的光,就像放大镜一样起作用。Quasars是由主动黑洞产生的极端宇宙路灯。这样的四幅类星体图像非常罕见,因为在前景星系和背景类星体之间需要几乎精确的对齐。天文学家使用重力透镜效应来检测有史以来最小的暗物质丛。丛林沿着望远镜的视线,以及前景镜头星系中和附近。暗物质浓度的存在改变了每个扭曲的准图像的表观亮度和位置。天文学家将这些测量结果与没有暗物质团块影响的类星体图像的预测结果进行了比较。研究人员利用这些测量值来计算微小暗物质浓度的质量。哈勃的宽野摄像头3捕获了每个Quasar的近红外光,并将其分散到其组件颜色中以进行光谱学习。 The images were taken between 2015 and 2018. Credit: NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) and T. Treu (UCLA)

虽然在大中型星系周围已经发现了暗物质的聚集,但到目前为止还没有发现更小的暗物质团簇。在缺乏观测证据的情况下,一些研究人员发展了另一种理论,包括“热暗物质”。这一观点表明暗物质粒子在快速移动,因为速度太快而无法合并并形成更小的浓度。新的观测结果并不支持这一假设,他们发现暗物质比温暖的暗物质替代理论中应该有的“更冷”。

“在较小的尺度下,暗物质比我们所知道的更冷,”位于加州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室的安娜·尼兰伯格说,她是哈勃望远镜调查的负责人。天文学家以前也对暗物质理论进行过其他的观测试验,但我们的试验为小团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,我们现在得到了一个比以前可能得到的更可靠的结果。”

狩猎缺乏恒星的暗物质浓度已经证明了具有挑战性。然而,哈勃研究团队使用了一种技术,其中他们不需要寻找星星的引力影响作为暗物质的示踪剂。该团队瞄准了八个强大而遥远的宇宙“路灯”,称为Quasars(围绕主动黑洞的区域,发出巨大的光线)。天文学家测量了氧气和氖气轨道发出的光线的光线如何被巨大的前景星系的重力翘曲,这呈作为放大镜。

通过这种方法,该团队发现了沿着望远镜视线到类星体的暗物质团块,以及介入性透镜星系内部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。这些微小的星团很可能甚至不包含小星系,因此用传统的寻找嵌在其中的恒星的方法是不可能探测到的。

这8个类星体和星系排列得如此精确,以至于被称为引力透镜的扭曲效应产生了每个类星体的4张扭曲图像。这种效果就像在看一个游乐园的镜子。这样的四幅类星体图像非常罕见,因为在前景星系和背景类星体之间需要几乎精确的对齐。然而,研究人员需要多重图像来进行更详细的分析。

暗物质团块的存在改变了每幅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不受暗物质影响的类星体图像的预测结果进行了比较。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。

加州大学洛杉矶分校的团队成员丹尼尔·吉尔曼解释说:“想象一下,这八个星系中的每一个都是一个巨大的放大镜。”“小的暗物质团块就像放大镜上的小裂缝,改变了四幅类星体图像的亮度和位置,而不是你期望看到的光滑的玻璃。”

研究人员使用了Hubble的宽野摄像机3来捕获来自每个Quasar的近红外光,并将其分散到其组件颜色中以进行光谱学。背景Quasars的独特排放最佳在红外光线中看到。“Hubble’s observations from space allow us to make these measurements in galaxy systems that would not be accessible with the lower resolution of ground-based telescopes—and Earth’s atmosphere is opaque to the infrared light we needed to observe,” explained team member Simon Birrer of UCLA.

特雷乌补充说:“难以置信的是,经过近30年的运行,哈勃望远镜使我们能够以最先进的视角观察基础物理学和宇宙的本质,这些是我们在望远镜发射时做梦也想不到的。”

重力透镜是通过地面调查筛选发现的,比如斯隆数字天空调查和暗能量调查,它们提供了迄今为止最详细的宇宙三维地图。这些类星体距离地球大约100亿光年;前景星系,大约20亿光年。

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。尼兰伯格解释说:“暗物质的粒子属性会影响形成多少团块。”“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。”

然而,组成暗物质的粒子类型仍然是一个谜。“目前,在实验室中还没有直接证据表明暗物质粒子的存在,”Birrer说。“如果宇宙学家没有根据对其效应的观察说它存在,粒子物理学家甚至不会谈论暗物质。当我们宇宙学家谈论暗物质时,我们问的是'它是如何控制宇宙的外观的,在什么尺度上?’”

天文学家们将能够利用NASA未来的太空望远镜,如詹姆斯·韦伯太空望远镜和广角红外巡天望远镜(WFIRST),均为红外线天文台。韦伯将能够有效地获得所有已知的四透镜类星体的测量值。WFIRST的清晰度和大视场将帮助天文学家观测受大质量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这样的罕见系统。

该团队将在夏威夷檀香山的美国天文学会第235次会议上展示其结果。

哈勃太空望远镜是NASA和ESA(欧洲航天局)之间的一个国际合作项目。NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理着这个望远镜。位于马里兰州巴尔的摩市的太空望远镜科学研究所(STScI)负责哈勃望远镜的科学操作。STScI是由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运作的

8的评论“冷暗物质”突破:哈勃发现已知最小的暗物质团块

  1. 霍华德·杰弗里·本德|2020年1月9日凌晨5:25|回复

    关于暗物质,可能有一个字符串理论解释。如您所知,量子力学要求串必须在量子泡沫中成对形成 - 一个字符串和反串 - 立即互相湮灭。量子力学还需要串和反串,以围绕“乱码”,以减少其滔滔不绝的振动能量。如果这个抖动在它们的字符串/反串湮灭之后瞬间留下一小部分,该怎么办?在我们过于恢复泡沫之前,我们将通过我们看到这种临时抖动。这就是为什么我们从未见过它 - 只有那个瞬间持续但却一遍又一遍地重复的“质量”。可以在我的YouTube中找到它的细节https://www.youtube.com/watch?v=24wyrkt8t4w

    • 所有这些疯狂的变色龙理论是否会引起一般人群的“不安”,因为这似乎是他们对我的影响,哈哈?绝妙的想象练习与科学或“现实”毫无关系。

  2. 是的,肯定…

  3. 然而,组成暗物质的粒子类型仍然是一个谜。“目前,在实验室中还没有直接证据表明暗物质粒子的存在,”Birrer说。“如果宇宙学家没有根据对其效应的观察说它存在,粒子物理学家甚至不会谈论暗物质。”

    这可能是一个线索,暗物质是一个完全的红色鲱鱼,但暗物质隧道视野将排除其他更有可能的解释,尽管它确实保持了资金流动。

  4. 亚历山大哈里森|2020年1月9日下午2:14分|回复

    重子物质的一个可能来源可能是暗物质内部未知的反应,像夸克这样的粒子从这些反应中喷射出来。在http://www.cscience.com.au,在Quora上也有关于夸克和暗物质的讨论。

  5. 暗物质和其他基本粒子有可能有相同的起源
    论文的最后一章http://vixra.org/abs/1912.0171

  6. 那么,如果它既不是粒子,也不是波呢?
    如果粒子和波都可以,那为什么两者都不能呢?

  7. 约翰·麦金托什|2021年1月2日下午6:20|回复

    这是奇妙的。当光不能从黑洞中释放出来时,类星体的能量是如何产生的呢?我相信哈勃望远镜贡献了最伟大的太空知识。

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