星系團揭露出對暗物質的新洞悉

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這張美國國家航空暨太空總署(NASA)哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)所拍攝的照片照出在Abell 1689內部地區的一個巨大的星系團。科學家說我們今天所看到的星系團,是早期宇宙物質密度波動下的結果。編輯: NASA/ESA/JPL-Caltech/Yale/CNRS

暗物質(dart mater)是一個神祕的宇宙現象,佔宇宙所有物質與能量的百分之二十七。雖然暗物質一直存在於我們的四周,我們卻看不見也感覺不到它。但是科學家能夠藉由一般物質在暗物質周圍的行為,來推斷它的存在。

星系團(galaxy cluster)是由數千個星系所組成,對於暗物質的探索是很重要的,因為它們位置所在的暗物質高於一般平均值。科學家相信,星系團越重,在它的環境裡就會有越多的暗物質。但是新的研究認為,連結(請繼續看下文)會比星系團的重量還要複雜。

美國國家航空暨太空總署(NASA)加州帕薩迪納噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California)的Hironao Miyatake說:"星系團就好像我們宇宙中的大城市。在夜晚,你可以從一處平面看城市的燈光,來推斷該城市的大小;以同樣的方法,這些星系團告訴我們看不見的暗物質的分布。"

一篇刊登在物理評論快報(Physical Review Letters),由Miyatake主導的新研究認為,一個星系團的內部結構是連結到圍繞它的暗物質環境。這是第一次一個星系團的特性,除了質量之外,被揭示與周遭的暗物質有關連。

研究人員從Sloan Digital Sky Survey DR8星系目錄裡,研究了大約有九千個星系團。依據它們的內部結構,將它們區分成兩個群組。一組是星系團裡的個別星系越發地散開,另一組則是緊密地匯聚在一起。科學家使用一個名為重力透鏡的技術,觀察星系團的重力如何彎曲來自於其他物體的光線,來證實這兩個群組的質量大致相同。

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這張星系團比較圖來自於Sloan Digital Sky Survey DR8(斯隆數位巡天 第八卷資料)星系目錄,展示一個散開的星系團(左圖)與一個更為密集匯聚的星系團(右圖)。一個新的研究顯示,這些差異與周遭的暗物質環境有關。編輯: Sloan Digital Sky Survey

但是,當研究人員比較這兩個群組時,他們在星系團的分布裡,發現了一個很重要的差異;通常星系團彼此之間的平均距離為一億光年,但是,對於有星系緊密匯聚的星系團群組而言,在這樣距離的鄰近星系團數目比稀疏的星系團(亦即散開的星系團群組)還要少得多。換句話說,周遭的暗物質環境,決定了一個星系團的星系緊密度。

Miyatake說:"這個差異,是星系團群組所形成不同的暗物質環境的一個結果。我們的研究成果指出,一個星系團和它周遭暗物質的連結,不單是由星系團質量來描繪出其特性,還要包括它的形成過程。"

新澤西州普林斯敦大學(Princeton University in New Jersey)天文系教授,這篇研究的共同作者David Spergel補充道:"先前的觀察研究指出,星系團的質量是決定它整體特性最重要的因素。我們的研究工作已經指出’年齡也有關係’,較年輕的星系團相較於較年老的星系團,居住在不同的大型暗物質環境中。"

這個結果和有關我們宇宙起源的領先理論的預測相符合。在一個名為宇宙膨脹(cosmic inflation)事件之後,大爆炸之後不到一兆分之一秒,在名為量子波動(quantum fluctuations)的能量空間裡,有一些小變化。這些變化接著驅動物質的不均勻分布。科學家說我們今天所看到的星系團,是早期宇宙的物質密度波動所造成。

Miyatake說:"星系團內部結構和周遭暗物質分布的連結,是初始密度波動本質的一個結果,它甚至發生在宇宙建立不到一秒的時候。"

研究人員會持續探索這些連結。

Miyatake說:"星系團是進入神秘宇宙的引人注目窗口。藉由研究它們,我們可以學到更多有關宇宙大型結構的演化和它的早期歷史,以及暗物質和暗能量。"

來源: NASA