新研究發現更多暗物質包裹著星系團,可能動搖宇宙理論

天空之城 2020/09/17 檢舉 我要评论

與人類一樣,星系也忍受不了孤獨。受引力牽引的星系傾向於聚群,一些星系甚至最終成了宇宙裡的「大都市」:高達一千個星系聚成的團,全部重量超過我們太陽1千億倍。

雖然我們可以看到星系團中閃耀的恒星,但可見的只是整個結構的一小部分。據科學家所知,有一團真正的重量級的東西藏在物質裡,而且不可見,那就是無形而神秘的暗物質。與城市之下的水泥、瀝青一樣,一大團球狀的暗物質支撐著整個星系團。與從城市街道上拔地而起的高樓一樣,每個星系也被包裹在自己的暗物質小球裡。

幾十年來,天文學家一直試圖理解暗物質是如何肩負起宇宙「城市規劃者」的角色,塑造我們宇宙的結構。不過,最新的研究發現,無論暗物質是什麼,它的行為都出乎研究人員的預料。

近日,《科學》刊發的一篇論文中,研究人員調查了11個巨大星系團使經過的光線彎曲的情況。該研究發現,這些星系團裡所蘊含的暗物質團的數量,比之前超級電腦模型預測的要多10倍。

「當你發現如此大的差距時,最常見的情況是模型裡的某個元素需要調整。」該研究論文的合著者、美國耶魯大學理論天體物理學家Priyamvada Natarajan說,「但有時,在科學史上非常罕見的情況下,這一差距其實是指向了一個新的理論。」

宇宙透鏡

目前關於宇宙關鍵材料,及不同材料隨時間相互交互理論的主要模型是Λ冷暗物質模型(Lambda-CDM),而這篇新論文是對該模型發起挑戰的一項最新研究成果。

根據Λ冷暗物質模型,宇宙所有物質和能量中,重子物質不到5%,即構成行星、恒星、星系、有機體及所有我們能看到物質的粒子集合。宇宙的大部分,約68%是暗能量,以希臘字母Λ(英語讀作/'læmdə/)表示。正是暗能量這種神秘的斥力驅使宇宙加速膨脹。

宇宙裡剩下的27%是由一種不可見的東西組成,那就是暗物質。根據上述模型,暗物質有品質,並能夠形成引力場,不會和它們自身發生反應,不會發光,也不會通過引力之外的方式與常規物質相互作用。

為了驗證Λ冷暗物質模型,義大利博洛尼亞天文臺的Massimo Meneghetti帶領的研究人員決定審視一下已知最大的幾個星系團。該團隊通過測量在望遠鏡中形成炫光的現象,調查星系團中物質的分佈情況。

正如一個保齡球放在蹦床上會使布料變形、拉伸一樣,物質也會改變其周圍時空的幾何形狀。星系與星系團這類巨大的天體會使時空彎曲得非常厲害,以至於能使經過的光線彎曲。天文學家能觀測到這種名為「引力透鏡」的現象。

當某個天體極大、密度極高時,它所產生的引力透鏡甚至能使光線分裂。對我們有利的是,這種反常現象看上去就像是這個天體被同一個背景光源的多重影像所包圍。

暗物質的引力又會使這種效應加強,而且星系團裡似乎填滿了這種東西。根據我們最佳的模型,不光有星系團被巨大的暗物質球形光環所包裹,星系團裡的單個星系也處在自己的暗物質「亞光環」裡。

Meneghetti的團隊測繪了11個星系團,計算了較小的引力透鏡的數量,結果發現數量是預期的10倍多。這一觀測結果表明暗物質亞光環的密度比電腦類比的更高,而這個結果似乎與Λ冷暗物質模型相悖。

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