暗物質核心挑戰傳統理解

■張慧

在2012年3月，天文學家通過分析哈勃望遠鏡觀測到的數據發現，在大質量星系團碰撞后的殘骸中留有暗物質團。這一觀測結果挑戰了現存有關暗物質的預測理論：即在星系團碰撞過程中，星系與暗物質緊密相連。

阿貝爾520是一個巨大的合并星系團，距離地球24億光年。暗物質能夠產生像放大鏡一樣的效果，使其后面的星系和星系團發出的光線彎曲偏折。天文學家利用這種引力透鏡效應，推測出了大質量星系團中暗物質的存在。

這項觀測顯示出阿貝爾520星系團中的暗物質聚集形成了“暗物質核心”，其中包含的星系數量要遠遠少于預測。很明顯，大部分的星系在碰撞期間游離到了很遠的地方。

加利福尼亞大學戴維斯分校的天文學家，該觀測報告的主要作者詹姆斯·杰稱：“暗物質的表現不同于預測情況，但具體原因目前尚未明確。用現存的星系形成和暗物質理論很難解釋哈勃望遠鏡的觀測結果?！蹦壳霸撚^測報告已經由《天體物理學》雜志接受，并已在網上發表。

天文學家最初在2007年發現星系團中存在有暗物質。但是由于缺乏數據，天文學家將這種不平常的現象視為假象，并未予以重視。哈勃望遠鏡最新的觀測結果顯示，阿貝爾520星系團中的暗物質和星系是分離開的。

星系團是宇宙中最大的結構，研究暗物質總質量的方法之一就是分析星系團之間的碰撞。天文學家認為，當星系團碰撞時星系會像一條被拴著的狗一樣，緊緊跟著暗物質。而熾熱的氣體云和X射線放射出的星系際氣體則會相互作用，逐漸減速，落在后面。

上述理論得到了觀測數據的支持：當兩個星系團猛烈碰撞形成子彈星系團時，天文學家觀測到了可見光和X射線。這已成為星系團中暗物質行為表現的樣本案例。

針對阿貝爾520星系團的研究表明，暗物質的行為并非如此簡單。通過最初的觀測數據，天文學家發現該星系團的核心中含有大量的暗物質和熾熱氣體，但是沒有發光星系。而通常情況下，發光星系會和暗物質處于同一位置。錢德拉X射線天文臺被用于追蹤熾熱氣體。同時，天文學家使用設在夏威夷島莫納克亞（毛納基）山頂的加法夏望遠鏡和昴星望遠鏡進行觀測，通過測定由遠處背景星系發出的產生引力透鏡效應的光線，推測出了暗物質的位置。

隨后，天文學家通過使用哈勃望遠鏡上的2號寬視場行星照相機進行了拍攝（該照相機能追蹤到背景星系中的細微的光線扭曲變化），并據此繪出了暗物質的分布圖。令天文學家驚奇的是，哈勃望遠鏡的觀測結果驗證了2007年的發現。

杰說：“我們描繪出大約六個暗物質分布圖，它們都是由高速星系團撞擊形成的。其中子彈星系團和阿貝爾520星系團的近期合并證據最為清晰，但二者的表現卻不同。目前沒有任何理論能夠解釋這兩次碰撞中暗物質為何有不同表現，我們需要更多的觀測樣本。”

該團隊對這項發現做出了數種解釋，但都未得到眾多天文學家的認可。某種情況下一些暗物質能夠出現天文學家稱為“粘住”的狀況，這種情況可能會產生驚人的推斷。普通物質撞在一起時，會像兩個雪球撞擊在一起那樣減速。而科學家認為暗物質粒子碰撞時會相互穿越，而不會減速。這種觀點解釋了為什么一些暗物質自身會發生作用，碰撞后會留在原地。

另一種可能成立的解釋是，與子彈星系團相比，阿貝爾520星系團的形成經歷了更復雜的相互碰撞。阿貝爾520星系團可能是由三個星系團相互碰撞形成的，而子彈星系團只是由兩個星系團相互碰撞形成的。

第三種可能是，核心部分包含了許多星系，但由于這些星系太暗，即使哈勃望遠鏡都無法觀測到。這些星系的恒星數量很可能遠遠少于其他普通星系中恒星的數量。該團隊將利用哈勃望遠鏡觀測得到的數據建立計算機仿真模型，重現星系團碰撞的過程，來尋找暗物質奇異表現的答案。