韋伯望遠鏡捕捉 38 億光年外「子彈星系團」，揭示暗物質分布奧祕

NASA 的詹姆斯‧韋伯太空望遠鏡觀測了「子彈星系團」（Bullet Cluster，編號 1E 0657-56），拍攝出迄今最精細的紅外影像。天文學家藉此重建這個劇烈碰撞系統的質量分布，首次精確描繪暗物質與星系間恆星的對應關係，並進一步驗證暗物質不會與其他物質產生明顯的互動作用。

子彈星系團是一個極具代表性的天文系統，距離地球約 38 億光年，由兩個極為龐大的星系團在宇宙早期高速碰撞後形成。其名稱來自於觀測上清晰可見的「子彈」形狀結構：星系與暗物質因幾乎不與其他物質作用而持續前進，而高溫氣體則因碰撞受到阻力，滯留於後方，造成質量分布與氣體分布明顯錯開。這種現象提供了觀測暗物質存在與特性的有力證據，也讓子彈星系團成為研究宇宙中重力、碰撞與暗物質行為的重要實驗場。

▲ 最新的子彈星系團質量分布圖：畫面中疊加了韋伯太空望遠鏡的近紅外線影像與 NASA 錢卓拉 X 射線天文臺的觀測資料。粉紅色區域為 X 射線觀測到的高溫氣體，包括右側子彈狀的結構；根據韋伯觀測資料計算出的暗物質分布則以藍色呈現（虛線圈內為星系團所在位置）。左側星系團在藍色區域左緣可見一個非對稱、延展狀的質量集中區，暗示其過去曾發生合併事件。此外，研究人員發現的多個質量團塊與延展線狀結構，可能顯示子彈星系團是在數十億年間歷經多次星系團碰撞所形成。目前影像左側的較大星系團，可能在與右側星系團相撞前就已歷經一次小規模碰撞，撞擊之後又發生另一場劇烈交動作用，導致其內部結構再次受到擾動。若碰撞情況更為複雜，便可能形成如左側所見的巨大非對稱延展結構。

所有星系大致由四種成分組成：恆星、氣體、塵埃與暗物質。其中暗物質是一種無法直接看到的成分，不會發出、反射或吸收任何光（電磁波），因此無法以望遠鏡直接觀察，但它的存在會透過重力影響星系運動和光線路徑。事實上，在星系與星系團中，大多數的質量都是這種「看不見」的暗物質，它就像是維繫宇宙大尺度結構的隱形骨架。

這次韋伯望遠鏡的觀測中，研究人員分析了 146 個背景星系在子彈星系團前方的重力透鏡效應，繪製出迄今解析度最高的質量分布圖。團隊特別測量了星系團中的三個核心區域，每個區域的質量都極為龐大，約相當於數千個銀河系的總和。雖然這些測量結果比過去估算略低，但精度大幅提升，為後續建立更準確的碰撞模擬與星系團演化模型提供了重要依據。

除了質量圖之外，研究也同步分析了星系團中「星系間恆星」（intracluster stars）的分布，這些恆星不屬於任何一個星系，而是飄浮在整個星系團中。令人驚訝的是，這些恆星所發出的微弱光芒與暗物質的質量分布幾乎完全一致，證實它們可以作為追蹤暗物質的可靠指標，即使在如子彈星系團這種劇烈變動的環境中亦然。

這項研究也再次驗證了暗物質的關鍵性質：它不會發出、反射或吸收任何光（電磁波），也不會與其他物質產生明顯交動作用。若暗物質之間存在交動作用，應會觀察到其分布與星系產生偏移，但本次觀測顯示兩者仍緊密對齊，研究結果對暗物質物理性質的限制因此更加嚴格。

（本文由台北天文館授權轉載；圖片來源：詹姆斯‧韋伯太空望遠鏡）