哈勃望遠鏡獲取迄今最精確暗物質分布圖

2010-11-20 20:12

圖中的藍色區域就是科爾和同事們在哈勃望遠鏡的圖像上疊加上的暗物質分布圖

藉助哈勃空間望遠鏡和宇宙引力透鏡效應，科學家們日前成功地獲取了一個巨型星系團中暗物質迄今最精確的分布圖。

暗物質是一種神秘莫測的不可見物質，它幾乎佔據了宇宙1/4的物質和能量，但是除了引力作用之外，它們和"常規"物質不發生任何相互作用。科學家們之所以知道宇宙中存在暗物質，並不是因為他們"看見"了暗物質，而完全是通過看不見的暗物質對可見物質施加的引力影響間接地獲得關於它們的信息。

當大量暗物質聚集，就像常規物質組成的星系團中會包括數百甚至數千的星系一樣，聚集的暗物質會產生巨大的引力作用，使其背後遙遠星系發出的光線在經過其附近時發生彎曲，從而形成類似透鏡的效應。地球上的天文學家已經拍攝到多幅同一個星繫在引力中心四周形成多幅圖像和假象的現象，這稱為「引力透鏡效應」。

引力透鏡效應可以作為我們很好的測量工具，用以估算一個星系中暗物質的多少，但到目前為止，天文學家們對於暗物質具體到底存在於哪個位置還是一無所知。

但是這次不同，藉助哈勃空間望遠鏡搭載的先進巡天相機(ACS)，天文學家們已經找出了一個叫做阿貝爾1689(Abell 1689)的星系團中暗物質分布的具體位置。

「使用其他方法，研究者只能是通過很多觀測數據去拼湊一個暗物質的質量分布情況，找出一種最符合觀測數據的分布模型，」美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)的天文學家丹科爾(DanCoe)在一次新聞發布會上表示，「但如果使用我們的方法，研究者將可以直接獲得暗物質的質量分布圖，而不必去猜測和拼湊。」

阿貝爾1689星系團距離地球22億光年，含有大約1000個星系和10000億顆恆星。通過對比哈勃的圖像和之前早先的觀測數據，研究人員從中挑選出了42個不同背景星系的135張不同照片。

「發生引力透鏡效應的天體照片就像是一個大大的迷宮，」科爾說。「我們所做的，就是第一次對阿貝爾1689星系團的內部質量進行排布，以便找到某種質量分布模式，在這種模式下將產生我們所觀測到的背景星系引力透鏡效應。」

科爾和同事們在哈勃望遠鏡的圖像上疊加上暗物質的位置信息(即題圖中的藍色物質)。這一結果已經發表於11月10號的《天體物理學報》，在這一份研究論文中，科爾和同事們確認了阿貝爾1689星系團中的暗物質量要比先前研究人員們根據其星系規模做出的估算值要高。

這一多出的物質量說明星系團在宇宙早期形成的年代要早於天文學家們原先的估計。暗物質的引力作用使物質聚集，但這一過程卻受到另一種更加神秘的強大力量的阻礙，這就是"暗能量"，它的主要效應是將物質推開。一旦早期宇宙中暗能量扮演了重要角色，星系團要想聚集在一起難度就會大得多。

「因此，星系團的形成應當在此之前數十億年便開始形成，以便形成我們今天所看到的宇宙。」科爾說。「在早期宇宙中，宇宙空間更小，暗物質的密度也更高。阿貝爾1689星系團似乎在誕生初期就聚集了大量周遭的物質。在那之後，這個星系團便一直帶著這多餘的質量，直到今天被我們觀測到。」

這一研究成果是一個名為「哈勃星系團透鏡和超新星巡天」(CLASH，縮寫意為「撞擊」)的一部分。在接下來的三年時間內，該計畫還將利用哈勃空間望遠鏡觀測25個星系團，總觀測時長將達一個月。