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宇宙网研究获新进展,暗物质存在再添佐证

来源:科技日报2020-02-26 09:23

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  天闻频道

  漆黑的深空,有一张“看不见”的网,网中有着许多的细丝,彷佛钩织了整个宇宙。

  多年来,通过天文学家不断努力探索,我们知道了星系之间宇宙细丝的存在,也了解到这些肉眼看不到的巨大网状结构,就像宇宙间的超级高速公路,将物质传送到密集中心(如星系团)。然而,关于宇宙网存在的许多证据仍然是偶然的,因为很难看到,让人难以捉摸,所以又充满诱惑。

  近日,来自美国一所研究机构的天文学家在arXiv.org网站上公布了他们在研究宇宙网方面取得的重大进展,宇宙网中难得一见的细丝,终于露出了些真容。

  细丝并非完全黑暗

  宇宙中大约85%的物质是由一种未知的、看不见的“暗物质”构成。据悉,在宇宙中有两种宇宙网,一种是由暗物质构成的“黑暗”宇宙网,另一种是主要由氢气组成的发光宇宙网。科学家认为在大爆炸时所产生的氢,有60%存在于这些宇宙网中。星系很可能形成于两个或者多个丝状物的交点,那里的物质密度最大,丝状物连接着宇宙中的星系团。而此次研究的核心对象,便是位于多个宇宙细丝结构的结点、位于密集暗物质团块中心的LRG(亮红星系)。

  研究团队拍摄了数千张LRGs图像,将它们重新排列、堆叠在一起,形成一幅合成图像,并从重子声波振荡光谱巡天项目数据中获取了LRGs的星表目录。

  利用这张叠加图像,研究人员计算了他们所能看到所有星系的总亮度,进而测量有多少正常物质构成了LRG之间的细丝,从而通过总光度推算常规物质的总质量。

  接着,研究人员观察了细丝后面的星系,特别是它们的形状。当这些遥远的背景星系发出的光线穿过前景的细丝时,细丝中暗物质的微弱引力使这些光线产生偏折,从而轻微地改变了这些背景星系的形状,这即为弱引力透镜现象。通过测量此类形变的统计性质,科学家们能够估算出细丝中暗物质的质量,该测量结果与理论预测数据相一致。

  另外,科学家们还报告了一个惊人的观测结果:这些细丝并不是完全黑暗的,每351个太阳质量的细丝,就有1个太阳的光度输出。

  开创新的“研究尺度”

  中国科学院国家天文台李楠博士说:“从学术上讲,细丝是宇宙中除了星系和星系团等近椭圆结构引力势阱之外的另一种引力势阱形式,形状为长条状,将星系连接成一张“蜘蛛网”,而细丝的连接点处为大质量星系或星系团。宇宙中的细丝结构是暗物质粒子在自引力作用下成团过程的产物,也是宇宙学中暗物质模拟的基本预言之一。”

  李楠说,研究人员们用这个形变信号重构了前景天体的引力场,然后再测量这些细线中的总光度,便能计算出细丝结构的质光比(质量和光度之比)。

  此次研究是否是暗物质存在的确切证据?李楠认为:“细丝的发现是一个非常好的结果。但是,毕竟此次探测依然是基于引力透镜效应,而不是直接探测暗物质粒子本身所产生的信号,所以我个人倾向于认为,这是一个证明暗物质存在非常有力的间接证据。”

  李楠说,其实在几年前就已经有科学家发现了细丝,此次研究的创新之处在于第一次测量了细丝结构的质光比,这为未来研究细丝的其他性质提供了可参考的锚定点。

  对于宇宙细丝的观测之所以这么艰难,一方面是由于大气扰动,会使星系的原始形状信号变得模糊;另一方面,目前望远镜的观测能力不足也直接影响到观测图像的质量和弱引力透镜信号的可用数目。未来,随着观测图像分辨率的增加,可观测的亮度极限越来越暗,图像质量和信号数目都会有所提高,信噪比就会越来越高,未来会有越来越清晰的关于宇宙细丝质量分布结果。

  李楠表示,可以肯定地说,此次研究是一次非常有益的尝试,它使宇宙结构形成的研究尺度范围更加完整,为人们更细致地研究宇宙提供了新的窗口。他说:“以前科学家们对大尺度结构和星系团尺度的结构都有过很好的研究,但对于宇宙细丝尺度,即大于星系团而小于宇宙大尺度结构的尺度结构性质研究甚少,此次研究算是开了个先河。”

  宇宙网的出现和星系的出生被认为是相互联系的,理解其中一个可以为理解另一个提供很大的帮助。科学家希望通过对宇宙网的研究,进一步理解宇宙结构和星系的形成与演化过程。(王祝华)

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