文|漢 水

偵測暗物質，“哈勃”很給力

文|漢 水

偵測星系團中的暗物質

借助“哈勃”太空望遠鏡，根據(jù)“引力透鏡”原理，科學家們繪制了一幅暗物質分布圖，從而標示出了一個巨型星系團中的暗物質分布情況。

這個星系團名為“阿貝爾1689”，包括大約1000個星系和10000億顆恒星，距離我們22億光年。由于“阿貝爾1689”含有大量的暗物質，巨大的引力使它宛若一個宇宙中的放大鏡，它背后遙遠星系發(fā)出的光都被它扭曲和放大了，這就是“引力透鏡”效應。這種效應有點類似“哈哈鏡”，它把現(xiàn)實中的景物放大和扭曲了，正是這些變了形的影像為天文學家們推測星系團中的暗物質提供了寶貴的線索。假若這個星系團中只有看得見的物質，那么它所導致的影像變形就會弱得多。

這項研究的帶頭人是美國國家航空航天局噴氣推進實驗室的天文學家丹·科爾，他和他的同行們首先要借助“哈勃”上的“巡天先進相機”測繪“阿貝爾1689”中暗物質的具體位置。科爾說：“引力透鏡產(chǎn)生的圖像如同巨大的謎題，我們要做的就是分析‘阿貝爾1689’的物質分布，把它的質量標示出來，這是前所未有的事?！?/p>

這些科學家發(fā)現(xiàn)，“阿貝爾1689”核心區(qū)域的暗物質比以前估計的要多得多。這一發(fā)現(xiàn)令科學家們十分驚訝，因為在宇宙的早期，星系團的成長是受到暗能量阻止的，所以人們并不認為它們形成得那么早。說到暗能量，它在今天也具有和暗物質同樣的神秘性。簡單地說，它是宇宙膨脹模型中人們提出的一種假想，指某種充溢于宇宙中的具有負壓強的能量，它和暗物質正好相反，其作用是拉開星系間的距離，讓星系彼此遠離?？茖W家們認為，在“阿貝爾1689”中存在如此大的暗物質質量表明，星系團的形成比此前人們估計的要提早幾十億年?？茽柦忉屨f：“在宇宙的早期，宇宙比現(xiàn)在小，暗物質的密度更高，而‘阿貝爾1689’似乎在形成之初就吸收了分布于它四周的密集的暗物質，這些暗物質被這個星系團一直帶到它‘成年’，并在今天被我們偵測到?！?/p>

目前，一個名為“哈勃星系團透鏡與超新星巡天”（簡稱CLASH）的探測計劃正在進行之中，它的任務就是分析大型星系團中的暗物質。在未來接近三年的時間里，科學家們將用“哈勃”太空望遠鏡觀測25個星系團，從而對宇宙中暗物質的分布、早期宇宙星系團的形成以及早期宇宙中暗能量的作用等問題作更進一步的研究。

繪制宇宙暗物質三維數(shù)字地圖

2007年1月，科學家們宣布，他們利用“哈勃”太空望遠鏡獲得的數(shù)據(jù)，首次繪制完成了一幅宇宙暗物質的三維數(shù)字地圖。在這張數(shù)字地圖中，科學家們根據(jù)“哈勃”的觀測數(shù)據(jù)，不僅標示出了暗物質所在的空間，而且顯示了它們存在的時間，而地圖中與暗物質相對的“亮物質”由于所占比例極小，所以看上去就像黑夜中閃亮的寶石。

由于暗物質不發(fā)光，天文學家們無法直接拍攝到暗物質的圖像，只能通過被引力扭曲的光線分析暗物質的方位和大小，所以“哈勃”只能在可見光波段觀測“引力透鏡”現(xiàn)象，對大約50多萬個星系進行了數(shù)據(jù)采集，最終據(jù)此繪制了這幅三維數(shù)字地圖，它顯示了相當于9個滿月大小的一片天區(qū)中的暗物質分布情況。這項成果發(fā)表在2007年1月7日的《自然》雜志上。

在這幅三維數(shù)字地圖上，人們看到，隨著早期宇宙向現(xiàn)今宇宙的過渡，暗物質的組成也從細絲狀向團塊狀發(fā)展，這種情形與現(xiàn)今流行的理論相吻合。科學家們認為，宇宙中的物質在開始的時候呈現(xiàn)著一種相對均勻的分布，后來才逐漸發(fā)展成現(xiàn)在這種不均勻的分布，并在物質密度很高的地方產(chǎn)生了恒星、星系和星系團。這種理論還認為，暗物質比普通物質更早一些合并，它們組成了更大的結構，形成了一種至關重要的“背景”，而星系和星系團則是在這個背景基礎上逐漸形成的。宇宙暗物質三維數(shù)字地圖作為一種生動的圖示，對宇宙暗物質的分布和演化作了形象化的描述，它對人類研究宇宙的起源和演化具有重大意義。

在利用“引力透鏡”偵測暗物質方面，“哈勃”可謂功勛卓著。2006年8月，當“錢德拉”X射線太空望遠鏡觀測到了船底座兩個星系團相互碰撞的景象，并由此找到暗物質存在的證據(jù)時，“哈勃”太空望遠鏡和另一臺地面大型望遠鏡——位于智利拉斯坎帕納斯天文臺的“大麥哲倫”望遠鏡也從可見光波段觀測到了由暗物質導致的“引力透鏡”現(xiàn)象，從而進一步印證了“錢德拉”X射線太空望遠鏡的觀測結果。