星系是宇宙中最壯麗的結構,它包含了大量的恆星、行星、氣體和塵埃。但除了這些可見的物質外,天文觀測還表明,絕大多數的星系實際上還被所謂的“
暗物質暈
”包圍。
暗物質
是宇宙中最神秘的存在,儘管我們無法直接看見它,但透過一些巧妙的方法就能夠推斷出它的數量應當遠超普通物質。暗物質的存在對宇宙的演化至關重要。在一項最新的研究中,天文學家繪製了大約120億年前暗物質是如何分佈在星系周圍的。他們的研究結果表明,
暗物質的聚集度比理論預期的更低
。
引力透鏡
我們知道,光速是有限的,因此星系發出的光在抵達地球之前,往往需要經歷漫長的時間。這就意味著當天文學家觀測到星系時,實際上看到的並非它們今天的樣子,而是它們過去的樣子。星系越遙遠,我們看到的星系就越古老。當然,觀測它們的難度也就越高。
但更有挑戰性的是觀測暗物質,因為暗物質本身並不發光。測量暗物質的經典方法會涉及兩個星系:前景星系
(或透鏡星系)
和背景星系
(或源星系)
。根據
愛因斯坦
的
廣義相對論
,前景星系的巨大引力會扭曲周圍的時空結構,所以當來自背景星系的光線在經過前景星系時,就會發生彎曲,就好像被光學透鏡所彎曲一樣。這就會導致背景星系的畸變和放大,這種效應被稱為
引力透鏡
。
當前景星系所包含的質量越大時,經過的光線也會彎曲得更嚴重,因此背景星系也會出現更嚴重的畸變。天文學家可以透過分析畸變的程度來估算出前景星系周圍的物質
(包括暗物質)
分佈。
但如果天文學家想要觀測那些極其遙遠的星系時,就面臨著一個巨大的挑戰,因為那些星系實在是太暗淡了。所以當我們看得越遠時,這項技術的效果就越弱。因此,在過去,天文學家由於無法探測到足夠多的的遙遠背景星系來測量畸變,他們只能分析不超過80到100億年前的暗物質分佈。這在很大程度上限制了我們對早期宇宙的真實結構的瞭解。
回到最初
為了克服這一障礙,最近一組天文學家改進了這一方法。他們沒有選擇兩個星系,而是選擇用一個不同的背景光源:
宇宙微波背景
(CMB)
。
宇宙大爆炸發生於大約138億年前,自那之後,宇宙便一直在膨脹,變得越來越大,也變得越來越冷。在大爆炸後的約38萬年,宇宙已經冷卻到足以讓原子形成,使光子開始自由地傳播,形成了CMB輻射。今天,CMB輻射仍然瀰漫於整個宇宙之中,但其波長早已被拉到微波波段。
就像來自遙遠星系發出的光源一樣,CMB也會被含有暗物質的星系扭曲。這就使研究人員能夠從宇宙誕生之初就開始測量暗物質的分佈。
(圖/Reiko Matsushita)
最遙遠的暗物質
在新的研究中,天文學家首先利用昴星團望遠鏡的觀測資料,利用可見光識別出了約150萬個透鏡星系。望遠鏡看到的這些星系都是它們在約120億年前的樣貌。
接著,為了克服缺少更遠、更古老的星系光的問題,研究人員使用了來自CMB的微波。利用普朗克衛星探測到的微波,研究人員測量了透鏡星系周圍的暗物質是如何扭曲微波的。
在初步分析後,研究人員探測到了迄今為止最遙遠的圍繞星系周圍的暗物質。120億年前的宇宙非常不同,那時正在形成的星系要比現在更多,第一批星系團也開始形成。星系團由100-1000個星系組成,也包含著大量的暗物質。
這個工作的最重要的一個發現與暗物質的聚集度有關。根據標準宇宙學模型,即ΛCDM模型,CMB的微小漲落都會導致物質在引力的作用下坍縮,並最終形成
星系、恆星和行星,以及應該也會產生密集的暗物質。但新研究卻發現
,早期宇宙中的暗物質的聚集度似乎要比
ΛCDM模型預測的要
低。
值得一提的是,目前的結果仍然具有不確定性。如果進一步的研究證實了這一結論,就可能改變天文學家對星系演化的理解,同時也預示著在120億年前,支配宇宙的基本規則可能會有所不同。未來,研究人員希望使用更先進的資料集,比如來自薇拉·魯賓天文臺的LSST的資料,以探索早期宇宙中的暗物質分佈。
參考來源:
https://physics。aps。org/articles/v15/117
https://www。nagoya-u。ac。jp/researchinfo/result-en/2022/08/20220802-01。html
封面圖&首圖來源:Reiko Matsushita