星系團中暗物質重力透鏡效應比預期強 10 倍,可能動搖當前模型

作者 | 發布日期 2020 年 09 月 14 日 11:34 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


看不見摸不著的總是特別神祕,一點異樣就可能動搖原本的認知。天文學家最近新發現一些星系團中的暗物質分布密度遠超預期,嚴重扭曲來自較遠天體的背景光,使得重力透鏡效應比預期還要強 10 倍。這可能說明用來預測星系團的最先進模型仍然有誤,或宇宙學家對暗物質的理解還需調整。

暗物質是宇宙學家最初為了彌補星系結構而提出的假設。數十年前,科學家意識到一個問題:就像地球繞著太陽公轉、星系中所有天體(恆星、塵埃、氣體雲等)也都繞著母星系旋轉,並且按理,距離星系中心越遠的天體其繞行速率應該越來越慢;然而實際上,科學家發現外圍天體軌道速率並未如預期那般隨著距離增加而減弱,而是保持一定速度(比牛頓重力預期的還要快)。

科學家因此提出暗物質,認為星系周圍存有由暗物質所構成的暈狀結構,這些暗物質暈包含的質量是星系內全部恆星質量的 10~100 倍。換句話說,暗物質其實才是構成星系大部分質量的主角,雖然看不見,但暗物質同樣具有質量,可透過重力作用得知其存在(但它不會與自身反應,不會發光或與常規重子物質相互作用),假如沒有暗物質,則星系外側應該會因離心力過大而分崩離散。

然而根據發表在《科學》(Science)期刊的一篇新論文,研究人員研究了 11 個巨大星系團如何「彎曲」從遙遠背景經過它們的光(即重力透鏡效應),卻驚訝發現無法在當前的 ΛCDM 模型(Λ-冷暗物質模型)進行模擬;或者說,星系團中部分暗物質團的分布比模型預測的還要更集中,導致重力透鏡效應強大了 10 倍,如此差距已無法忽視,只能說明 ΛCDM 模型有某些條件需要修正。

星系團是宇宙中聚集了數百到數千個星系的大組織,也是包藏暗物質的倉庫,星系團內的星系成員很大程度上由暗物質的引力保持在一起,就像城市下面的混凝土與瀝青一樣。研究團隊原本預期每 10 個星團中大約會發生 1 次強透鏡事件,然而事實上,卻發現了 13 個由單個星系周圍暗物質團塊所引起的強透鏡作用。

這與暗物質暈的數量或質量無關,而是集中程度出現巨大差異,可能是當前模型未考慮到暗物質與恆星形成的未知物理性質、可能沒有考慮重子物質與暗物質如何相互作用,又或者暗物質的本質尚未被完全理解,導致我們疏漏星系團中的暗物質居然更緊密凝結在一起。

假如星系中的暗物質暈真發生了更複雜的機制,那麼現有模型很可能會被拋棄。研究團隊表示即將發射的歐幾里得太空望遠鏡(Euclid)、羅曼太空望遠鏡(Roman Space Telescope)、薇拉·魯賓天文台(大型綜合巡天望遠鏡)或許有助於解決問題。這 3 架巨大望遠鏡將產生非常龐大的星系團數據,測繪宇宙中暗物質的大尺度分布結構並確認暗能量性質。

(首圖來源:NASA