Abell520星系團中發現暗物質核心，挑戰現有解釋

chris881 · 發表於 2012-3-11 14:24:04

本帖最後由 Fenom 於 2012-3-11 14:25 編輯

摘要：天文學家觀測到了大質量星系團相撞後，大團暗物質的奇特分佈——它們聚集成「暗核心」，其中包含的星係數量遠少於星系團合併的通常預期。事實上，大部分星系已經移動到離碰撞區非常遠的地方。這一觀測結果對暗物質的基本理論構成挑戰，因為一般認為即使穿過撞擊的衝擊波，星系還將保留看不見的（暗）物質。

Abell 520星系團的多波段合成圖像，配色：綠，X線（高溫等離子體）；橙：光度分佈（低溫物質）；白，星系的可見光圖像；藍，暗物質分佈計算。版權：NASA, ESA, CFHT, CXO。

這是一個我們都不願相信的觀測結果。天文學家發現了大質量星系團相撞後，大團暗物質的奇特分佈。

這些暗物質聚集成「暗核心」，其中包含的星係數量遠少於星系團合併的預期。事實上，大部分星系已經移動到離碰撞區非常遠的地方。這一觀測結果對暗物質的基本理論構成挑戰，因為一般認為即使穿過撞擊的衝擊波，星系還將保留看不見的（暗）物質。

2007年的初次觀測，由於結果是如此的異常，天文學家把其擱置一邊，並歸因於數據質量差。然而，美國宇航局（NASA）的哈勃太空望遠鏡對其重新進行了觀測，確認這個離我們24億光年之遙的巨型星系團Abell 520中，碰撞後的暗物質和星系確實已分道揚鑣。

現在，天文學家不得不試圖解釋該星系團中暗物質的怪異行徑。

2007年的Abell 520觀測數據。紅，X線；藍，引力透鏡計算；白，可見光。注意本圖與上圖的方向不同。

哈勃研究團隊領導、加州大學戴維斯分校的天文學家詹姆斯•傑（James Jee）說：「這就是個謎，暗物質的表現與預期的不符，我們也不清楚以後會怎樣。關於星系形成和暗物質的理論必須解釋我們的觀測結果。」

團隊的研究報告已經被《天體物理學期刊》接受，並已在網上發表。

暗物質在20世紀80年代被首次發現，並被認為是它用引力把星系「粘」在一起。這些神秘的不可見物質與構成恆星、行星或者我們的物質不同，雖然它們組成了宇宙的大部分質量，天文學家對此卻知之甚少。

他們通過暗物質對普通物質的看不見的引力作用而推斷它們的存在，就像我們聽得到聲音卻看不見樂隊一樣。

研究暗物質的一種方法是分析宇宙中最大的天體結構——星系團之間的劇烈碰撞。當星系團相撞時，天文學家預期星系將緊隨暗物質運動，就像狗與狗繩的關係。而星系間的（等離子體）氣體云，由於電磁相互作用，會落在後面。

子彈星系團的合成圖像，配色同上圖。

上述理論受到觀測數據的支持：子彈星系團的巨大碰撞中，可見光和X線圖像就呈現這種狀況。它已成為星系團中暗物質如何表現的教科書理論。

但是對Abell 520星系團的研究顯示，暗物質的行為並非如此。原始觀測發現系統的核心富集了暗物質和熾熱氣體，卻沒有發光星系；而通常情形下，星系應該與暗物質在一起。NASA的錢德拉X線望遠鏡在該區域發現了熾熱氣體，天文學家還使用夏威夷莫納克亞山頂的加拿大—法國—夏威夷聯合望遠鏡（CFHT）和日本昴星團望遠鏡觀測了星系團對遙遠背景星系的引力透鏡效應，以測定區域的暗物質量。

PDF中新觀測確定的物質分佈圖，紅：X線；背景，CHFT圖像；橙框：哈勃WFPC2觀測區域；白線：質量分佈圖

天文學家接著借助哈勃第二代廣域行星相機（WFPC2）的（過往）數據以解開此宇宙之謎：通過引力透鏡效應繪製星系團中暗物質的分佈圖。然而使他們懊惱的是，哈勃數據證實確認了以前的發現。

Abell 520的四個單色圖像，從上到下依次為：哈勃的可見光圖像，CHFT獲得的星系團光度分佈，基於WFPC2圖像進行的引力透鏡法質量分佈計算，錢德拉的X線圖像。

團隊資深理論學者、加拿大英屬哥倫比亞省維多利亞大學的Arif Babul解釋說：「觀測Abell 520這樣的天體對我們的知識而言就是羞辱，它需要我們有跳躍性思維，我們常常得停下來思考。」

是Abell 520行為古怪，還是現在流行的暗物質理論圖像有缺陷？Jee認為得出結論還為時過早。

Jee說：「我們大約知道6個高速相撞的星系團樣本中暗物質的分佈圖像，其中子彈星系團和Abell 520有最清晰的近期合併證據，但它們的表現卻很不相似。沒有單一的理論能解釋這兩個碰撞事件中暗物質的不同行為，我們需要更多的觀測樣本。」

Abell 520和子彈星系團（下）的對比，5個圈為質量密度中心

團隊為此發現提出了5、6種解釋，不過每種都不完美。「這就像挑選你的毒藥，」團隊成員、加州舊金山州立大學的Andisheh Mahdavi解說道，他是2007年對Abell 520進行初次觀測的團隊領隊。一種可能的解釋是：Abell 520各部分的相互作用遠比子彈星系團複雜。它可能是三個星系團相撞的結果，而子彈星系團僅是兩個系統對穿而過。

另一種可能是天文學家認為某種暗物質具有「粘性」。就像兩個雪球相撞粉碎，普通物質在相撞中會減速（電磁相互作用）。但暗物質粒子在碰撞中會互相穿過而不會減速。這種方案猜測星系碰撞過程中，部分暗物質粒子會相互作用而留下。

第三種可能是核心區包含許多星系，但它們太暗了而看不見。相比普通星系，它們只能形成很少的恆星。借助哈勃數據，團隊希望進行計算機模擬重演Abell 520的碰撞過程，並由此給出暗物質奇怪行徑的某些答案。