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好消息!科学家借助特殊仪器揭示了暗物质温度
作者: 佚名 时间:2020-1-13文章来源:百度访问量:6706

图注:通过利用总共八个四重透镜系统(此处显示的六个),天体物理学家能够利用引力透镜对宇宙中的暗物质亚结构进行约束,从而对暗物质粒子的质量/温度进行约束。暗物质可能是我们宇宙中最神秘的组成部分之一,自20世纪30年代首次提出以来,一直未能直接探测。尽管其存在的天体物理学证据是压倒性的——从旋转的星系、星系团运动中、大规模结构形成、碰撞星系群、宇宙微波背景等,但遗憾的是我们不知道它的真实性质是什么。

研究暗物质的最好方法之一是通过它的引力效应,特别是在极端环境中:爱因斯坦的广义相对论做出不同于牛顿引力的独特预测。强烈的引力透镜,我们和遥远源之间的干涉质量产生扭曲,放大,和多个图像的目标,是天体的最佳探测方法之一。随着一套由8个强透镜、四重图像系统组成的新系统,科学家们正在以前所未有的形式了解暗物质的特性。

图注:这张图片说明了引力透镜效应,以及光到达同一目的地可以采取的多种路径。鉴于宇宙距离巨大,质量巨大,到达时间在图像之间可能相差几小时或几十年,但光本身显然正经历着引力的影响,即使它本身没有质量。在爱因斯坦的广义相对论中,与牛顿古老的引力理论不同,引起我们感知到的引力的不是质量之间的无形引力,而是物质与能量与时空之间的关系。物质和能量的存在使空间的结构扭曲,扭曲的空间影响宇宙中的一切,包括穿过这个空间的光。

每当有足够大的弯曲空间时,它都会以一系列迷人的方式影响穿过该区域的光线。与平面空间(光线必须始终在两点之间的直线路径中移动)不同,曲线空间的存在,意味着可以采取多条路径来连接空间中的两个点。如果对齐绝对完美,您甚至可以看到背景灯被拉伸成圆形结构:爱因斯坦环。

图注:从前景质量的透镜效应得到一个近乎完美的环。环,曾经是一个理论预测,现在已经看到许多不同的透镜系统,达到了不同程度的完美。当然,大多数时候,对齐并不完美,而且有一个很好的理由,完美的对齐是罕见的:宇宙本身并不完美。也就是说,它充满了不完美,受引力过度的增长所支配,这些引力导致我们今天看到的宇宙网。

我们可能认为宇宙由星系组成,这些星系被分组并聚集到连接于不同连接点的细丝中,但那将是一个错误。是的,这就是我们的宇宙在我们的眼睛和仪器看来的样子,但这只是正常物质:由质子、中子和电子构成的物质。这些技术所看不到的是暗物质,它占宇宙质量的六分之五,但只形成由我们可以观测到的宇宙结构所追踪的漫射"骨架"。

图注:通过微光卷在z=0处的大尺度投影,以最大质量团簇为中心,深度为 15 mpc/h。显示暗物质(左)向气体密度(右)过渡。我们看到的发光物质由左侧的粉红色和白点表示,这显示了一点点暗物质,但不是它的所有属性或位置。如果我们深入到非常详细的尺度,暗物质的情况就更有趣了。无论哪里的暗物质,它不仅在宇宙,超星系尺度上形成了这个巨大的、弥散的、蓬松的光晕,除此之外,还有各种不同尺寸的微型亚光晕,它们会发生:

沿着细线,在星系和星系团形成的地方,在星系存在的地方之间,并叠加在所有更大的结构之上 ( 正常物质和黑暗物质)。如果我们看一个典型的暗物质模拟星系的光环,我们叠加在它上面的正常发光物质,我们将看到的不仅仅是一个巨大的暗物质"绒毛球",而是一系列流经星系得较小的暗物质亚结构。

图注:如模拟预测的那样,密度不同的暗物质光环和非常大的漫反射结构,其发光部分为尺度。请注意光晕子结构的存在,该子结构一直深入到非常小的尺度。之所以重要,是因为当我们观察强透镜系统时,我们观察到的引力透镜并不是由一个大的、光滑的质量来源造成的。相反,我们观察到的透镜信号的数量和类型是沿特定物体的视线,存在的所有不同形式的物质和能量的总和。

镜头系统最壮观的配置之一是获得"交叉"配置:四个图像偏移约(但不是相当)90度彼此。早在发现第一个爱因斯坦环之前,爱因斯坦十字架就出现了,这主要是由于一个主要是由一个稍微偏离中心源的强透镜的引力影响。背景光被拉伸、放大,并产生多个图像,一个壮观的景象,也使我们能够获取一些极有价值的科学信息。

图注:两个时间变化的图像(左图)和1990年哈勃望远镜拍摄的第一个四透镜系统的图像(右图),全部来自同一个遥远的类星体,俗称爱因斯坦十字星。当您查看这样配置的系统的细节时,它不仅仅取决于主要的质量源透镜,而且所有这些复杂的暗物质亚结构也由这些微型光晕产生。通过准确检查四个图像中的每一个图像的光线是如何相对弯曲的——只有电离氧和氖特征的光谱技术才可能如此——可以提取有关亚光环类型的信息,暗物质可以形成。

利用哈勃太空望远镜的数据,包括安娜·尼伦伯格教授和博士生丹尼尔·吉尔曼在内的一个小组,能够对8个不同的四重透镜系统进行大规模结构分析,该结构集成在视线上。通过观察由于亚结构(其出现在千分之一的水平上)引起的变异,他们能够获得关于暗物质性质的信息。

图注:暗物质团的存在、类型和特性会影响四元透镜系统中多个图像之间的特定变化。我们现在拥有关于其中8个系统的详细光谱数据,这一事实使得可以提取关于暗物质性质的有意义的信息。特别是,暗物质在原则上可能生来就具有任何数量的动能和任何质量。然而,在实践中,如果暗物质是光和快速移动的,那么在宇宙中形成的结构类型就会在最小的尺度上被抑制。

当我们找到小尺度结构的证据,并开始测量这些结构的性质时,我们可以开始对允许其质量大小和缓慢移动的暗物质进行有意义的限制。例如,我们知道暗物质不能由宇宙中已知的中微子组成:暗物质会太热。虽然我们通常谈论冷暗物质,但暗物质仍有可能在某种程度上变暖,无论它拥有任何质量,都拥有显著的动能。

图注:在宇宙中形成的暗物质结构(左)和结果的可见星系结构(右)在冷、热和热暗物质宇宙中自上而下显示。根据我们观察到的,至少98%以上的暗物质必须是冷的或温暖的,热的被排除在外。以前,使用两种不同的方法对暗物质的温度/质量特性进行最佳约束,但两者都需要假设。

来自银河系附近的潮汐流提供了对亚结构的探测,因此也提供了暗物质的性质,但这些潮汐流依赖于正常物质与暗物质的相互作用的假设,这在很多方面都是高度不确定的。萊曼α森林——来自遥远类星体的光穿过部分或完全吸收光的气体云——使我们能够知道大小结构是如何在宇宙早期生长的,但同样需要假设物质的引力增长和正常物质落入暗物质光晕。这些限制是好的;如果暗物质是热遗迹(这意味着它曾经产生于早期宇宙中其他粒子的动能),则假定所有假设都有效,它肯定比这些方法的6 kev或5.3 kev质量更大。(这比目前对中微子质量的约束量大约 10,000 倍)。

但是,通过利用这个新方法,获得了与宇宙中正常物质的任何假设无关的优秀约束。正如丹尼尔·吉尔曼在美国天文学会年会上介绍这项研究时所说,

“想象一下,这八个星系中的每一个都是一个巨大的放大镜。小暗物质团在放大镜上充当小裂缝,改变四个类星体图像的亮度和位置,与玻璃是否光滑情况相比。”

没有依赖光和正常物质的相互作用,或正常物质与暗物质的相互作用,而是依靠光必须单独遵循的弯曲路径。仅仅从这项工作,暗物质,如果它是一个热遗迹,必须大于5.2千伏,这意味着它可以是冷的或温的,但不会更热。

图注:六个四重透镜系统用于仅从结构形成的角度对暗物质的温度/质量进行最佳模型独立约束。这种方法不涉及对正常物质和暗物质之间的相互作用的依赖。自从天文学家们第一次意识到宇宙需要暗物质的存在来解释我们看到的宇宙以来,我们就试图了解它的本质。虽然直接探测工作仍未取得成果,但通过天文观测间接探测,不仅揭示了暗物质的存在,而且这种使用四重透镜类星体系统的新方法,给了我们一些很强的,有意义的限制,关于暗物质到底需要多冷。

太热或能量过高的暗物质不能形成低于一定尺度的结构,而这些超遥远的四射镜系统的观测显示,暗物质毕竟必须在非常小的尺度上形成团块,这与我们所想象的任意冷度是一致的。暗物质不是热的,甚至不可能是非常温暖的。随着越来越多的系统进入,我们的仪器甚至超出了哈勃望远镜的能力,我们甚至可能发现宇宙学家长期以来所怀疑得:暗物质今天不仅必须冷,而且一定是天生寒冷。

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