@ 2014.07.29 , 17:02
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暗物质到底在哪里?

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传说中“子弹星系团”的 X 光(粉色)与弱重力透镜效应(蓝色)的合成图片 来源

暗物质无处不在,它现在就在你的房间里。它比全天候的“监视”更为稀薄,比空气更透明,比光更无孔不入。或许我们从来没意识到过身边的暗物质(unless you are stoned or tripping),但它就在那里。

虽然暗物质不可见,但我们已经知道周围有多少暗物质,它们都处在哪里了。宇宙微波背景测量显示,宇宙质量的80%都是由暗物质组成的,但这并没有告诉我们暗物质在宇宙中的分布状况。从理论思考的角度,科学家猜测宇宙中的一些区域——例如宇宙巨洞(Cosmic Voids)——可能有很少或者根本没有暗物质,而各星系的中心暗物质的密度则更高。不过即便如此,还是难以确定暗物质分布的细节。

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宇宙微波背景图

不同于普通物质,我们不能通过光来看到它,因为暗物质本身不反射光也不释放光。天文学家只能通过暗物质的重力效应来绘制它们的分布。这在星系中密度较高的区域尤为困难,这些区域充满了大量气体,星体和其它物质,它们的存在模糊了暗物质的分布特征。就算是在银河系的“郊区”或星系际空间,暗物质对所有形式的光透明的属性也让精确定位成了难题。

尽管有大量不利因素,天文学家们仍然取得了进展。虽然单独的一个星系或许是混乱无规律的,但分析大量的星系则能生成出宇宙的“重力地图”。科学家们同样希望能克服星系中的混乱状态,通过谨慎观察星体与气体云的运动而估算出暗物质在星系中央的比重。

另外一条诱人的线索是:银河系中心的暗物质在湮灭时会释放出信号形式的暗物质粒子。如果被其它观察证实,研究者就可以避免麻烦的重力因素而推导出暗物质的诸多属性。

暗物质简史

上世纪30年代,瑞士天文学家弗里茨·兹威基测量了后发座星系团的运动。根据简单的引力计算,他发现星系团的移动轨迹不应该是观测到的那样——除非星系内包含了很多看不见的大质量物质。实际上,弗里茨·茨威基估算的物质质量远远大过了实际情况。不过从整体情况上来看他是正确的:星系团中超过80%的质量并非原子形式。

在弗里茨的时代,他的研究并未引起学界的注意,但美国天文学家薇拉·鲁宾之后关于星系自转速度的研究则不一样。她发现就星体本身和星系间气体的质量加起来根本无法解释她测量到的星系自转速度。在薇拉的研究和随后的测量之间,天文学家们建立起一个理论:每一个螺旋星系都被一种环形光环状的物质所吞没——这种物质对任何形式的光都是透明的。

子弹状星系团

子弹星系团(Bullet Cluster)在天文学研究中十分重要。它在2006年被首次描述。子弹星系团实际上是两个正在碰撞的星系团:研究者们用可见的 X 光将它绘制出之后才发现该星系团实际又一对星系团组成,而它是证明暗物质存在的最好证据。

星系团是已知宇宙中最大的独立个体。星系团中可包含成千上万个由彼此引力牵制的星系。然而,比起星系内的星体,气体和星尘,质量更大的是星系间一种温度极高的气体等离子云,而等离子云在 X 光环境下会发出明亮的光。在子弹星系团中,两个星系团的碰撞引发了等离子云冲击波。

而前文所说到的“弱引力透镜效应”——指从遥远背景星系发出的光被前景星系轻微扭曲之后产生的一种形变效应——则被用与绘制子弹星系团中质量的分布状况。不同于强引力透镜效应,弱引力透镜效应不会产生诸如爱因斯坦十字或是弧形扭曲这样的图像,它只会轻微扭曲来自背景星系的光。

成像后被发现的等离子冲击波代表着子弹星系团中质量最大的一部分,它与星系相分离,处于两个星系团之间,这让独立测量暗物质质量与分布有了可能。而成像结果还证实了之前一些关于暗物质行为的假设。多亏了碰撞产生的波,等离子得以留在两个星系团之间,而暗物质这种不会与暗物质或任何物质相互作用的存在则直接,悄无声息地融入到了对方星系团中。

这是一个现象级的发现,但被观测的仅有一个(或两个)星系团。科学是需要大量证据的,单独一个案例无法反映出宇宙中无数的可能性,我们想要知道暗物质是否总在星系周围群聚还是说它们分布的范围更广。我们想知道所有的暗物质在哪里,不仅是银河系,不仅是子弹星系团,是整个宇宙范围。

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上图显示的是一片天空中用等高线表示的弱引力透镜效应,右边小图展示的是星体,星系和热气体所产生的引力透镜效应。 来源

暗物质普查

弱引力透镜效应为在星系团(或更大或更小的结构)中搜寻暗物质提供了一种方法。普林斯顿大学的天文学家 Neta Bahcall 和 Andrea Kulier 为132,473个星系群及星系团进行了一次“弱引力透镜普查”,被调查的形体结构都在同一片固定的天空里,但总体范围达到了银河系的规模(“星系群”是星系的一种集群;比如说,银河系是在本星系群中是第二大的星系,仅次于仙女座星系)。一个单独的星系团不能提供给我们太多信息,但超过十万个总是具有一点普遍性了吧!弱引力透镜在单个星系团中表现并不明显,但在十万级的数量上就很明显了。

比方说,在星系研究中一个重要的参数是质光比(mass-to-light ratio)。为了得到准确的质光比数据,Bahcall 和 Kulier 研究了从星系团中心向外部扩散的光和弱引力透镜效应累计值,发现一件有趣的事:质量与光一前一后地相互升高,最后共同趋向平稳。这意味着光与暗物质之间,谁也不必谁延伸得远,它们是大致并行的:这些星系群和星系团内的星体是极好的暗物质追踪者,但奇怪的是,星体占整个星系团的质量比重还不足2%。

Kulier 表示,“一个星系群或星系团内暗物质的总量可能全都在组成它们的星系的光晕(星系晕)中”。虽然细节上可能有所差别,但这是一个比较平均的结果。当星系聚集起来组成一个星系团时,作用在星系与星系内的星体上的强大力量在理论上可以将星系与内部的暗物质分离开,但由于相互之间的引力牵制,它们仍然共存在一个星系团内。

Kulier 指出,普查的结果为星系团内暗物质的等级模型结构提供了强有力的证据:“较小的星系集群比大的坍缩得更早,所以像星系这样的集群先形成,再并入为大的星系集群如星系团中”。子弹星系团就是一个典型的例子,但暗物质可能在星系合并后停留在星系团中央,脱离它原来的星系和光晕。

星系晕与暗物质

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上图为计算机重现的弱引力透镜如何影响背景星系成像的效果图 来源

历史上来讲,暗物质的推测和概念是来自对螺旋星系的研究的。但是,指出其存在是一回事,绘制出它的具体分布又是另一回事了——尤其是在致密的星系内部。

螺旋星系有三个基本组成部分:星系盘(disk),核球(bulge),星系晕。星系盘厚度较薄,包含有旋臂以及一些年轻而明亮的恒星。核球处在螺旋星系中心,密度大,星系内的老年恒心通常在核球区域,而在核球最中心点有一个特大质量黑洞(supermassive black hole)。星系晕处在星系周围,结构稀疏,零星散布着少量恒星。星系晕的半径很大,晕可以延伸到星系盘之外很远的地方。举个例子,银河系的星系盘直径大约为100,000光年,而星系晕的直径则在300,000-1,000,000光年之间。

根据星系晕的夸张直径来看,星系内大部分暗物质都分布在星系晕上,很少一部分在星系盘上。来自哈佛大学的 Jo Bovy 与 Scott Tremaine 发现(银河系)星系盘与星系晕区域,一立方光年里所包含的质量还不到100个地球重——虽然100个地球听起来可不是什么轻量级,不过在星系级别上的比较,地球一点也不重,并且一立方光年可是个跨度很大的区域。这个质量不足以强烈影响星系中央太阳的轨道。

相比之下,越往星系内部走,暗物质含量越高,所以在核球里密度应该是最大的。因为这个原因,一些天文学家希望找出在银河系中心暗物质湮灭的迹象,因为根据一些模型,暗物质湮灭时会释放出伽玛射线。今年冬天(年初),费米实验室研究者称可能观测到来自银河系中心有过量的伽玛射线。但核球附近恒星的密度也相当大,所以不能确定探测到的射线来自湮灭的暗物质。

一个乐观的结论

那么暗物质到底在哪里呢?根据前文所提到的两种理论与观察,最有可能性的还是在星系晕上。越来越多的弱引力透镜效应研究即将被开展,这些研究将为暗物质的分布细节揭开神秘面纱。“盖亚计划”目前正在绘制百亿颗恒星及其运动轨迹的三维地图,这个项目将能提供银河系和环绕周围的卫星的信息。届时,与弱引力透镜效应相结合,科学家们将能在之前难以观测的区域研究暗物质分布。

[keep_beating via Ars Technica]


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TOTAL COMMENTS: 29+1

  1. 楚门
    @3 years ago
    2494027

    每个字都认识系列

    [77] XX [3] 回复 [0]
  2. 2494028

    沙发

  3. 少主保佑我~
    @3 years ago
    2494034

    看到“从遥远北京星系发出的光”没反映过来习惯性的去百度了一下北京星系,然后整个人都醉了。。

    [11] XX [0] 回复 [0]
  4. 克金咒好小说
    @3 years ago
    2494035

    暗物质,你在哪里呵,你在哪里?你可知道,我们想念你。。。

  5. 吐了一裤子
    @3 years ago
    2494037

    当然,还有一种可能是其实压根就不存在什么暗物质。

  6. 老王
    @3 years ago
    2494038

    「那么暗物质到底在哪里呢?根据前文所提到的两种理论与观察,最有可能性的还是在星系晕上。」

    我的理解是这样的,星云分为星系盘,核球,星系晕。按照原文,核球的体积忽略,而星系晕体积是星系盘的27-1000倍,所以推测最有可能在星系晕上。

  7. 深喉老妖
    @3 years ago
    2494041

    暗物质构成的生物:明物质到底在哪里?

    [25] XX [0] 回复 [0]
  8. 张较瘦
    @3 years ago
    2494042

    根据煎蛋的引力计算,他发现星系团的移动轨迹不应该是观测到的那样

  9. 2494047

    据说读自己看不懂的东西 能加智力
    智力+2.

  10. YMS347
    @3 years ago
    2494062

    答案:在菊花深渊当中

  11. alendill
    @3 years ago
    2494099

    那些在二向化废墟里的原本是三维世界的物质。。。

  12. 茶苯海明
    @3 years ago
    2494109

    没人见过“暗物质”,只是一些现象需要“暗物质”的概念来解释,就像100年前的“以太”

    [27] XX [1] 回复 [0]
  13. 2494138

    在深渊蜥蜴族的歌者长老领地中

  14. retergg
    @3 years ago
    2494140

    每次看宇宙微波图我都特么以为是其他波段的地球仪呢!!!!!!

  15. 煎蛋
    @3 years ago
    2494152

    在二维宇宙里。。。。

  16. 歪果仁
    @3 years ago
    2494173

    在变形金刚的飞船里!

  17. 2494195

    螺旋星云?这是在说“旋涡星系”吧。

  18. 丹华抱一
    @3 years ago
    2494251

    煎蛋不是严厉打击家具党吗?

  19. 地狱菠菜
    @3 years ago
    2494281

    只说一句:暗物质和光能抵消,就像是盐碱中和差不多,当黑暗来临时,你身边就是暗物质,那些“黑色”就是暗物质,要记得,黑色真的不是一种颜色。

  20. 地狱菠菜
    @3 years ago
    2494283

    在光和黑暗的交界处。

  21. 羽蛇神的回归
    @3 years ago
    2494289

    大意就是:宇宙这台电脑明明没有运行多少程序,却占用了大量的内存,所以想找出那些隐藏的进程,却发现没有任务管理器之类的东西……综上所述,我们应该先想办法获取root权限……

    [19] XX [1] 回复 [0]
  22. 2494436

    我很想假装我看懂了,仔细看了一遍,没勇气再看第二遍……

    给我的感觉就是,所谓的以太是真实存在的啰?

  23. 郑尼玛
    @3 years ago
    2494799

    需要特殊的滤镜才能看得到,是这个意思么?

  24. xpwinner
    @3 years ago
    2494800

    暗物质无处不在。。。这么说暗物质肯定影响了光速。。。

  25. 2494837

    感觉能翻译这种文的人真的很牛。。。英文水平确实高。。

  26. greeen
    @3 years ago
    2494975

    @地狱菠菜: 你是民科么?

  27. pushit
    @3 years ago
    2495125

    我竟然看懂了

  28. 地狱菠菜
    @3 years ago
    2495430

    @greeen
    这是事实,一切科学伦理又何尝不是这样推导出来的呢?

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