科学|新的引力透镜研究暗示暗物质模型存在问题
虽然暗物质的概念最初是为了解释星系的结构而提出的 ， 但它最大的成功之一是解释了宇宙本身的性质 。 宇宙微波背景的特征可以用暗物质的存在来解释 。 早期宇宙的模型通过建立在暗物质形成的结构上来产生星系和星系团 。 事实是 ， 这些模型如此正确地把握了全局 ， 这是对他们有利的一个强有力的论据 。
但一项新的研究表明 ， 同样的模型在细节上是错误的--错误了整整一个数量级 。 这项研究的幕后推手认为 ， 要么是模型有问题 ， 要么是我们对暗物质的理解可能需要调整 。
本文插图
镜头下
这项新的研究由一个国际研究小组进行 ， 利用了一种名为引力透镜的现象 。 重力会扭曲空间本身 ， 它可以像透镜一样弯曲光线 。 如果一个大质量的物体--比如说一个星系--位于我们和远处的物体之间 ， 它可以产生一个引力透镜 ， 放大或扭曲远处的物体 。 根据对象如何排列的精确细节 ， 结果可以是从简单的放大到圆形环或使对象多次出现 。
因为暗物质的效应可以通过引力探测到 ， 所以我们可以通过引力透镜效应“看到”暗物质的存在 。 在少数情况下 ， 我们甚至在几乎没有物质存在的地方探测到透镜 。 这是支持暗物质的众多证据之一 。
研究人员使用引力透镜建立了一项测试 ， 至少在概念上是非常简单的 。 我们已经建立了早期宇宙的模型 ， 表明暗物质如何帮助构建了第一批星系 ， 并将它们吸引到星系团中 。 这些模型 ， 当向前运行时 ， 提供了暗物质分布在宇宙历史到现在的不同时刻应该是什么样子的描述 。 因此 ， 研究人员决定使用引力透镜来确定模型中看到的暗物质分布是否与我们通过引力透镜看到的暗物质分布相匹配 。
根据这些模型 ， 宇宙是分层构建的 。 通过与自身的引力相互作用 ， 暗物质形成了在复杂的三维网络中交叉的细丝 。 细丝交叉点的额外引力将吸引规则物质 ， 从而形成第一批星系 。 随着时间的推移 ， 引力的持续吸引将星系拉在一起 ， 形成了大型星系团 。 通过检查这些模型的输出 ， 我们可以看到暗物质在星团周围的预期分布 。 通过放大 ， 我们可以看到暗物质应该如何在单个星系的区域内分布 。
暗物质的这种分布可以看作是对模型的一种预测 。
同时 ， 在真实的宇宙中
为了验证这些预测 ， 研究人员使用哈勃太空望远镜的图像绘制出一大批星系团及其周围的所有物体 。 使用超大望远镜的后续成像帮助识别了这些物体的距离 ， 这是基于它们的光因宇宙的膨胀而移动到光谱的红端的程度-红移越大 ， 物体就越远 。 这使得研究人员能够确定哪些物体肯定在星系团的后面 ， 因此有可能成为引力透镜的候选者 。
然后 ， 一个软件包使用这些数据来创建每个星系团的质量分布 。 这包括整个星系团的整体透镜效应 ， 以及星系团内个别星系驱动的次透镜效应 。 研究人员发现 ， 透镜状物体的外观和单个星系的位置之间有很强的一致性 ， 这使得他们能够验证他们的质量分布计算 。
研究人员随后使用宇宙模拟器构建了25个模拟星团 ， 并对这些星团进行了类似的分析 。 他们这样做是为了确定可能的透镜位置和可能造成最大扭曲的位置 。
这两个不匹配 。 与模型中的区域相比 ， 真实宇宙星系中产生高度扭曲的区域要多得多 。 如果暗物质的分布比模型预测的要凹凸不平 ， 情况就会是这样--星系周围的暗物质晕比模型预测的要紧凑 。
这不是我们第一次看到的出现这种差异 。 暗物质模型还预测 ， 银河系周围应该有更多的矮小卫星星系 ， 它们应该比现在更分散 。 但是 ， 如果我们调整我们的模型 ， 使这些星系更分散 ， 我们就不太可能在星系团中看到更紧密的结构 。 因此 ， 这两个问题似乎需要朝着相反的方向进行调整 ， 而不是找到两个都可以通过一次调整就能解决的问题 。
两种可能性
研究人员认为 ， 这种差异有两种可能的解释：要么是我们没有欣赏到暗物质的所有性质 ， 要么是我们对宇宙演化的模拟遗漏了一些东西 。 然而 ， 由于这两种观点都大体上正确地理解了宇宙的总体情况 ， 如果这些结果得到独立的证实 ， 那么这个问题将是一个微妙的问题 ， 因此很难识别 。 一种可能性是 ， 问题似乎出现在星系区域 ， 那里会有大量的物质-暗物质相互作用 。 如果那里发生了更复杂的事情 ， 它很容易就会把模型抛在脑后 。
【科学|新的引力透镜研究暗示暗物质模型存在问题】然而 ， 就目前而言 ， 很可能已经有团队手中有额外的数据可以执行类似的分析 ， 所以我们将不得不等待这些工作完成 。 理论宇宙学家 ， 作为不耐烦的那一类 ， 无疑将在任何额外的重新分析出来之前很久就测试出暗物质的变体 。
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