偵測(cè)暗物質(zhì)，“哈勃”很給力

文|漢 水

偵測(cè)暗物質(zhì)，“哈勃”很給力

文|漢 水

偵測(cè)星系團(tuán)中的暗物質(zhì)

借助“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡，根據(jù)“引力透鏡”原理，科學(xué)家們繪制了一幅暗物質(zhì)分布圖，從而標(biāo)示出了一個(gè)巨型星系團(tuán)中的暗物質(zhì)分布情況。

這個(gè)星系團(tuán)名為“阿貝爾1689”，包括大約1000個(gè)星系和10000億顆恒星，距離我們22億光年。由于“阿貝爾1689”含有大量的暗物質(zhì)，巨大的引力使它宛若一個(gè)宇宙中的放大鏡，它背后遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光都被它扭曲和放大了，這就是“引力透鏡”效應(yīng)。這種效應(yīng)有點(diǎn)類似“哈哈鏡”，它把現(xiàn)實(shí)中的景物放大和扭曲了，正是這些變了形的影像為天文學(xué)家們推測(cè)星系團(tuán)中的暗物質(zhì)提供了寶貴的線索。假若這個(gè)星系團(tuán)中只有看得見的物質(zhì)，那么它所導(dǎo)致的影像變形就會(huì)弱得多。

這項(xiàng)研究的帶頭人是美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的天文學(xué)家丹·科爾，他和他的同行們首先要借助“哈勃”上的“巡天先進(jìn)相機(jī)”測(cè)繪“阿貝爾1689”中暗物質(zhì)的具體位置。科爾說：“引力透鏡產(chǎn)生的圖像如同巨大的謎題，我們要做的就是分析‘阿貝爾1689’的物質(zhì)分布，把它的質(zhì)量標(biāo)示出來，這是前所未有的事?！?/p>

這些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，“阿貝爾1689”核心區(qū)域的暗物質(zhì)比以前估計(jì)的要多得多。這一發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家們十分驚訝，因?yàn)樵谟钪娴脑缙?，星系團(tuán)的成長是受到暗能量阻止的，所以人們并不認(rèn)為它們形成得那么早。說到暗能量，它在今天也具有和暗物質(zhì)同樣的神秘性。簡單地說，它是宇宙膨脹模型中人們提出的一種假想，指某種充溢于宇宙中的具有負(fù)壓強(qiáng)的能量，它和暗物質(zhì)正好相反，其作用是拉開星系間的距離，讓星系彼此遠(yuǎn)離?？茖W(xué)家們認(rèn)為，在“阿貝爾1689”中存在如此大的暗物質(zhì)質(zhì)量表明，星系團(tuán)的形成比此前人們估計(jì)的要提早幾十億年。科爾解釋說：“在宇宙的早期，宇宙比現(xiàn)在小，暗物質(zhì)的密度更高，而‘阿貝爾1689’似乎在形成之初就吸收了分布于它四周的密集的暗物質(zhì)，這些暗物質(zhì)被這個(gè)星系團(tuán)一直帶到它‘成年’，并在今天被我們偵測(cè)到?！?/p>

目前，一個(gè)名為“哈勃星系團(tuán)透鏡與超新星巡天”（簡稱CLASH）的探測(cè)計(jì)劃正在進(jìn)行之中，它的任務(wù)就是分析大型星系團(tuán)中的暗物質(zhì)。在未來接近三年的時(shí)間里，科學(xué)家們將用“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)25個(gè)星系團(tuán)，從而對(duì)宇宙中暗物質(zhì)的分布、早期宇宙星系團(tuán)的形成以及早期宇宙中暗能量的作用等問題作更進(jìn)一步的研究。

繪制宇宙暗物質(zhì)三維數(shù)字地圖

2007年1月，科學(xué)家們宣布，他們利用“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)，首次繪制完成了一幅宇宙暗物質(zhì)的三維數(shù)字地圖。在這張數(shù)字地圖中，科學(xué)家們根據(jù)“哈勃”的觀測(cè)數(shù)據(jù)，不僅標(biāo)示出了暗物質(zhì)所在的空間，而且顯示了它們存在的時(shí)間，而地圖中與暗物質(zhì)相對(duì)的“亮物質(zhì)”由于所占比例極小，所以看上去就像黑夜中閃亮的寶石。

由于暗物質(zhì)不發(fā)光，天文學(xué)家們無法直接拍攝到暗物質(zhì)的圖像，只能通過被引力扭曲的光線分析暗物質(zhì)的方位和大小，所以“哈勃”只能在可見光波段觀測(cè)“引力透鏡”現(xiàn)象，對(duì)大約50多萬個(gè)星系進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，最終據(jù)此繪制了這幅三維數(shù)字地圖，它顯示了相當(dāng)于9個(gè)滿月大小的一片天區(qū)中的暗物質(zhì)分布情況。這項(xiàng)成果發(fā)表在2007年1月7日的《自然》雜志上。

在這幅三維數(shù)字地圖上，人們看到，隨著早期宇宙向現(xiàn)今宇宙的過渡，暗物質(zhì)的組成也從細(xì)絲狀向團(tuán)塊狀發(fā)展，這種情形與現(xiàn)今流行的理論相吻合?？茖W(xué)家們認(rèn)為，宇宙中的物質(zhì)在開始的時(shí)候呈現(xiàn)著一種相對(duì)均勻的分布，后來才逐漸發(fā)展成現(xiàn)在這種不均勻的分布，并在物質(zhì)密度很高的地方產(chǎn)生了恒星、星系和星系團(tuán)。這種理論還認(rèn)為，暗物質(zhì)比普通物質(zhì)更早一些合并，它們組成了更大的結(jié)構(gòu)，形成了一種至關(guān)重要的“背景”，而星系和星系團(tuán)則是在這個(gè)背景基礎(chǔ)上逐漸形成的。宇宙暗物質(zhì)三維數(shù)字地圖作為一種生動(dòng)的圖示，對(duì)宇宙暗物質(zhì)的分布和演化作了形象化的描述，它對(duì)人類研究宇宙的起源和演化具有重大意義。

在利用“引力透鏡”偵測(cè)暗物質(zhì)方面，“哈勃”可謂功勛卓著。2006年8月，當(dāng)“錢德拉”X射線太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了船底座兩個(gè)星系團(tuán)相互碰撞的景象，并由此找到暗物質(zhì)存在的證據(jù)時(shí)，“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡和另一臺(tái)地面大型望遠(yuǎn)鏡——位于智利拉斯坎帕納斯天文臺(tái)的“大麥哲倫”望遠(yuǎn)鏡也從可見光波段觀測(cè)到了由暗物質(zhì)導(dǎo)致的“引力透鏡”現(xiàn)象，從而進(jìn)一步印證了“錢德拉”X射線太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果。