哈勃望远镜再立一功！科学家观测到已知最小的暗物质团块，还是冷的！

在寻找暗物质时，天文学家不得不进行某种“幽灵式搜寻”。那是因为暗物质是一种看不见的物质，无法直接看到。然而，它又构成了宇宙质量的大部分，并形成了建立星系的框架。暗物质是将星系和星系团聚在一起的引力“胶水”。天文学家可以通过测量它的引力如何影响恒星和星系来间接地探测到它的存在。

这种神秘的物质与构成恒星、行星和人类的物质不同。该物质是正常的“重子”物质，由电子、质子和中子组成。但是，暗物质可能是某种未知的亚原子粒子，与正常物质的相互作用较弱。

一种流行的理论认为，暗物质粒子的移动速度不是很快，这使它们更容易聚集在一起。根据这个理论，宇宙中暗物质的浓度范围很广，从小到大。

天文学家已经探测到暗物质聚集在大星系和中型星系周围。现在，利用哈勃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。

研究人员通过测量来自遥远类星体的光在空间中传播时是如何受到影响的，在哈勃望远镜的数据中寻找少量的暗物质。类星体是非常遥远的星系中明亮的黑洞供电核心。哈勃望远镜的图像显示，来自这些类星体图像的光由于巨大前景星系的引力而扭曲并放大，这种效应被称为引力透镜。天文学家利用这种透镜效应来探测小的暗物质团块。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。

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大质量星系的中央核心。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路灯。由于前景星系和背景类星体之间需要近乎精确的对齐，这样的类星体图像非常罕见。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3号广角相机捕获了每个类星体的近红外光，并将其分散成不同的颜色，以供光谱学研究。这些照片拍摄于2015年至2018年。图片来源： NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) and T. Treu (UCLA)

天文学家们利用NASA的哈勃太空望远镜和一种新的观测技术，发现暗物质形成的团块比以前所知的要小得多。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，所有星系都形成并嵌入暗物质云中。暗物质本身由缓慢移动或“冷”的粒子组成，这些粒子聚在一起形成结构，从质量是银河系几十万倍的，到质量不超过商用飞机重量的团块。(在这种情况下，“冷”是指粒子的速度。)

哈勃望远镜的观测结果对暗物质的性质及其行为产生了新的见解。 “我们对冷暗物质模型进行了非常有说服力的观测测试，非常成功。”观测小组成员加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Tommaso Treu说。

暗物质是一种看不见的物质形式，它构成了宇宙质量的大部分，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引力如何影响恒星和星系来间接探测其存在。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者是不可能的，因为它们包含的恒星很少。

尽管在大中型星系周围都检测到了暗物质团块，但到目前为止，还没有发现小得多的暗物质团块。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”。这个想法表明，暗物质粒子正在快速移动，过快地压缩而无法合并形成较小的团块。新的观察结果不支持这种情况，发现暗物质比“暖暗物质”替代理论所认为的“更冷”。

“在较小尺度上，暗物质比我们所知道的要冷的多。”哈勃太空望远镜的负责人，加利福尼亚州帕萨迪纳市的NASA喷气推进实验室的安娜·尼伦伯格说，“天文学家以前曾对暗物质理论进行过其他观测试验，但是我们的证据提供了迄今为止尚有最强的证据，表明存在着一小团冷暗物质。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来追踪暗物质的引力影响。该小组的目标是八颗强大而遥远的宇宙“路灯”，称为类星体(活跃的黑洞周围的区域，它们发出大量的光)。天文学家测量了环绕着类星体黑洞的氧气和氖气发出的光是如何被巨大的前景星系的引力扭曲的，这个星系就像一个放大镜。

利用这种方法，研究小组发现了暗物质沿着望远镜的视线聚集到类星体，以及在中间的透镜星系内部和周围。哈勃探测到的暗物质团块是银河系暗物质晕质量的1/0,000至1/100,000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。

八个类星体和星系是如此精确地对齐，以至于扭曲效应(称为引力透镜)产生了每个类星体的四张扭曲图像。效果就像照哈哈镜。由于前景星系和背景类星体之间几乎需要精确对准，因此这类类星体的四张图像很少见。但是，研究人员需要多个图像来进行更详细的分析。

暗物质团块的存在会改变每张类星体扭曲图像的表观亮度和位置。天文学家将这些测量结果与预测的类星体图像在没有暗物质影响的情况下进行了比较。研究人员使用这些测量值来计算微小暗物质团块的质量。为了分析数据，研究人员还开发了精心设计的计算程序和精密重建技术。

加州大学洛杉矶分校的成员丹尼尔·吉尔曼解释说：“想象一下，这八个星系中的每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，改变了四个类星体图像的亮度和位置，而不是你所希望看到的是像玻璃一样光滑。”

研究人员使用哈勃的广角3号相机捕捉到来自每个类星体的近红外光，并将其分散成其组成颜色，以便进行光谱研究。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，而地球的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研究小组的成员西蒙·比雷尔(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，哈勃能够为基础物理学和宇宙的本质提供最前沿的见解，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;前景星系大约20亿光年。

研究中检测到的小团队数目为暗物质的性质提供了更多线索。尼伦伯格解释说：“暗物质的粒子性质影响形成多少团块。” “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学。”

但是，构成暗物质的粒子类型仍然是个谜。比雷尔说：“目前，实验室没有直接证据表明存在暗物质颗粒。” “根据宇宙物理学家对暗物质的观察，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，'暗物质如何影响宇宙的外观，并在多大程度上?”

天文学家将能够使用未来的NASA太空望远镜(如詹姆斯·韦伯太空望远镜和广域红外勘测望远镜(WFIRST))对暗物质进行后续研究，这两个望远镜都是红外天文台。WFIRST望远镜的清晰度和大视场将有助于天文学家对整个空间区域进行观测，这些区域受到大质量星系和星系团的巨大引力场的影响。这将有助于研究人员发现更多这样的稀有系统。

该小组将在夏威夷檀香山举行的美国天文学会第235次会议上公布其研究成果。

原文出处：https://phys.org/news/2020-01-hubble-smallest-dark-clumps.html