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好消息!科學家借助特殊儀器揭示了暗物質溫度
作者: 佚名 時間:2020-1-13文章來源:百度訪問量:6580

圖注:通過利用總共八個四重透鏡系統(此處顯示的六個),天體物理學家能夠利用引力透鏡對宇宙中的暗物質亞結構進行約束,從而對暗物質粒子的質量/溫度進行約束。暗物質可能是我們宇宙中最神秘的組成部分之一,自20世紀30年代首次提出以來,一直未能直接探測。盡管其存在的天體物理學證據是壓倒性的——從旋轉的星系、星系團運動中、大規模結構形成、碰撞星系群、宇宙微波背景等,但遺憾的是我們不知道它的真實性質是什么。

研究暗物質的最好方法之一是通過它的引力效應,特別是在極端環境中:愛因斯坦的廣義相對論做出不同于牛頓引力的獨特預測。強烈的引力透鏡,我們和遙遠源之間的干涉質量產生扭曲,放大,和多個圖像的目標,是天體的最佳探測方法之一。隨著一套由8個強透鏡、四重圖像系統組成的新系統,科學家們正在以前所未有的形式了解暗物質的特性。

圖注:這張圖片說明了引力透鏡效應,以及光到達同一目的地可以采取的多種路徑。鑒于宇宙距離巨大,質量巨大,到達時間在圖像之間可能相差幾小時或幾十年,但光本身顯然正經歷著引力的影響,即使它本身沒有質量。在愛因斯坦的廣義相對論中,與牛頓古老的引力理論不同,引起我們感知到的引力的不是質量之間的無形引力,而是物質與能量與時空之間的關系。物質和能量的存在使空間的結構扭曲,扭曲的空間影響宇宙中的一切,包括穿過這個空間的光。

每當有足夠大的彎曲空間時,它都會以一系列迷人的方式影響穿過該區域的光線。與平面空間(光線必須始終在兩點之間的直線路徑中移動)不同,曲線空間的存在,意味著可以采取多條路徑來連接空間中的兩個點。如果對齊絕對完美,您甚至可以看到背景燈被拉伸成圓形結構:愛因斯坦環。

圖注:從前景質量的透鏡效應得到一個近乎完美的環?;?,曾經是一個理論預測,現在已經看到許多不同的透鏡系統,達到了不同程度的完美。當然,大多數時候,對齊并不完美,而且有一個很好的理由,完美的對齊是罕見的:宇宙本身并不完美。也就是說,它充滿了不完美,受引力過度的增長所支配,這些引力導致我們今天看到的宇宙網。

我們可能認為宇宙由星系組成,這些星系被分組并聚集到連接于不同連接點的細絲中,但那將是一個錯誤。是的,這就是我們的宇宙在我們的眼睛和儀器看來的樣子,但這只是正常物質:由質子、中子和電子構成的物質。這些技術所看不到的是暗物質,它占宇宙質量的六分之五,但只形成由我們可以觀測到的宇宙結構所追蹤的漫射"骨架"。

圖注:通過微光卷在z=0處的大尺度投影,以最大質量團簇為中心,深度為 15 mpc/h。顯示暗物質(左)向氣體密度(右)過渡。我們看到的發光物質由左側的粉紅色和白點表示,這顯示了一點點暗物質,但不是它的所有屬性或位置。如果我們深入到非常詳細的尺度,暗物質的情況就更有趣了。無論哪里的暗物質,它不僅在宇宙,超星系尺度上形成了這個巨大的、彌散的、蓬松的光暈,除此之外,還有各種不同尺寸的微型亞光暈,它們會發生:

沿著細線,在星系和星系團形成的地方,在星系存在的地方之間,并疊加在所有更大的結構之上 ( 正常物質和黑暗物質)。如果我們看一個典型的暗物質模擬星系的光環,我們疊加在它上面的正常發光物質,我們將看到的不僅僅是一個巨大的暗物質"絨毛球",而是一系列流經星系得較小的暗物質亞結構。

圖注:如模擬預測的那樣,密度不同的暗物質光環和非常大的漫反射結構,其發光部分為尺度。請注意光暈子結構的存在,該子結構一直深入到非常小的尺度。之所以重要,是因為當我們觀察強透鏡系統時,我們觀察到的引力透鏡并不是由一個大的、光滑的質量來源造成的。相反,我們觀察到的透鏡信號的數量和類型是沿特定物體的視線,存在的所有不同形式的物質和能量的總和。

鏡頭系統最壯觀的配置之一是獲得"交叉"配置:四個圖像偏移約(但不是相當)90度彼此。早在發現第一個愛因斯坦環之前,愛因斯坦十字架就出現了,這主要是由于一個主要是由一個稍微偏離中心源的強透鏡的引力影響。背景光被拉伸、放大,并產生多個圖像,一個壯觀的景象,也使我們能夠獲取一些極有價值的科學信息。

圖注:兩個時間變化的圖像(左圖)和1990年哈勃望遠鏡拍攝的第一個四透鏡系統的圖像(右圖),全部來自同一個遙遠的類星體,俗稱愛因斯坦十字星。當您查看這樣配置的系統的細節時,它不僅僅取決于主要的質量源透鏡,而且所有這些復雜的暗物質亞結構也由這些微型光暈產生。通過準確檢查四個圖像中的每一個圖像的光線是如何相對彎曲的——只有電離氧和氖特征的光譜技術才可能如此——可以提取有關亞光環類型的信息,暗物質可以形成。

利用哈勃太空望遠鏡的數據,包括安娜·尼倫伯格教授和博士生丹尼爾·吉爾曼在內的一個小組,能夠對8個不同的四重透鏡系統進行大規模結構分析,該結構集成在視線上。通過觀察由于亞結構(其出現在千分之一的水平上)引起的變異,他們能夠獲得關于暗物質性質的信息。

圖注:暗物質團的存在、類型和特性會影響四元透鏡系統中多個圖像之間的特定變化。我們現在擁有關于其中8個系統的詳細光譜數據,這一事實使得可以提取關于暗物質性質的有意義的信息。特別是,暗物質在原則上可能生來就具有任何數量的動能和任何質量。然而,在實踐中,如果暗物質是光和快速移動的,那么在宇宙中形成的結構類型就會在最小的尺度上被抑制。

當我們找到小尺度結構的證據,并開始測量這些結構的性質時,我們可以開始對允許其質量大小和緩慢移動的暗物質進行有意義的限制。例如,我們知道暗物質不能由宇宙中已知的中微子組成:暗物質會太熱。雖然我們通常談論冷暗物質,但暗物質仍有可能在某種程度上變暖,無論它擁有任何質量,都擁有顯著的動能。

圖注:在宇宙中形成的暗物質結構(左)和結果的可見星系結構(右)在冷、熱和熱暗物質宇宙中自上而下顯示。根據我們觀察到的,至少98%以上的暗物質必須是冷的或溫暖的,熱的被排除在外。以前,使用兩種不同的方法對暗物質的溫度/質量特性進行最佳約束,但兩者都需要假設。

來自銀河系附近的潮汐流提供了對亞結構的探測,因此也提供了暗物質的性質,但這些潮汐流依賴于正常物質與暗物質的相互作用的假設,這在很多方面都是高度不確定的。萊曼α森林——來自遙遠類星體的光穿過部分或完全吸收光的氣體云——使我們能夠知道大小結構是如何在宇宙早期生長的,但同樣需要假設物質的引力增長和正常物質落入暗物質光暈。這些限制是好的;如果暗物質是熱遺跡(這意味著它曾經產生于早期宇宙中其他粒子的動能),則假定所有假設都有效,它肯定比這些方法的6 kev或5.3 kev質量更大。(這比目前對中微子質量的約束量大約 10,000 倍)。

但是,通過利用這個新方法,獲得了與宇宙中正常物質的任何假設無關的優秀約束。正如丹尼爾·吉爾曼在美國天文學會年會上介紹這項研究時所說,

“想象一下,這八個星系中的每一個都是一個巨大的放大鏡。小暗物質團在放大鏡上充當小裂縫,改變四個類星體圖像的亮度和位置,與玻璃是否光滑情況相比?!?/p>

沒有依賴光和正常物質的相互作用,或正常物質與暗物質的相互作用,而是依靠光必須單獨遵循的彎曲路徑。僅僅從這項工作,暗物質,如果它是一個熱遺跡,必須大于5.2千伏,這意味著它可以是冷的或溫的,但不會更熱。

圖注:六個四重透鏡系統用于僅從結構形成的角度對暗物質的溫度/質量進行最佳模型獨立約束。這種方法不涉及對正常物質和暗物質之間的相互作用的依賴。自從天文學家們第一次意識到宇宙需要暗物質的存在來解釋我們看到的宇宙以來,我們就試圖了解它的本質。雖然直接探測工作仍未取得成果,但通過天文觀測間接探測,不僅揭示了暗物質的存在,而且這種使用四重透鏡類星體系統的新方法,給了我們一些很強的,有意義的限制,關于暗物質到底需要多冷。

太熱或能量過高的暗物質不能形成低于一定尺度的結構,而這些超遙遠的四射鏡系統的觀測顯示,暗物質畢竟必須在非常小的尺度上形成團塊,這與我們所想象的任意冷度是一致的。暗物質不是熱的,甚至不可能是非常溫暖的。隨著越來越多的系統進入,我們的儀器甚至超出了哈勃望遠鏡的能力,我們甚至可能發現宇宙學家長期以來所懷疑得:暗物質今天不僅必須冷,而且一定是天生寒冷。

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