激動人心：天文學家捕捉到第一張連接星系的暗物質橋的「圖像」

文：鄭娟娟

（本文首發於筆者網易號「一心的未來世界」，轉載請註明作者和出處，謝謝合作！）

我們時刻都在受到看不見的力的作用，例如，現在你穩穩地站在地球上沒有飄向太空，是引力在將我們往「下」拉。雖然我們看不見，但觀測和實驗可以找到引力的蹤跡。

幾十年來，越來越多的證據表明，宇宙中也存在很多我們看不見的物質。這種看不見不僅是肉眼不可見，天文學家們動用了射電、紅外、X射線和伽馬射線等一系列觀測手段，仍然無法「看」到它們。雖然不可見，可是大部分天文學家都相信它們的確存在，於是，他們給這種物質起了個名字——暗物質（dark matter）。

一．暗物質存在的證據

都有哪些證據讓科學家們那樣肯定暗物質的存在？簡單介紹一些。1933年，天體物理學家Fritz Zwicky（弗里茨茲威基）在研究后髮座星系團中的8個星系的運動時發現，其質量一定比單從發光部分推斷的值大400倍。1936年，天文學家Sinclair Smith（辛克萊爾史密斯）提出他在室女座星系團中注意到相同情形，提出了「星系團內部大質量的星雲間物質」的存在。

20世紀60年代，天文學家VeraRubin（薇拉魯賓）和儀器專家Kent Ford（肯特福德）共同合作，觀測仙女星系中遠離星系中心的區域的運動。根據牛頓的萬有引力定律，在恆星系統內，行星離中心恆星越遠，它的軌道運動越慢，如果把距離與速度之間的關係標在一張曲線圖上，就會得到一條下行的曲線。在觀測仙女座時，Vera Rubin和Kent Ford希望他們可以觀測到同樣的情況，也就是對於一個旋轉星系來說，他們認為恆星離星系中心越遠，其運動速度就會越慢。他們假定會得到一條下行曲線。

但結果十分出乎意料，他們發現，最外圍恆星的運行速度和最內部恆星的速度相同，於是得到的仙女星系的運轉曲線是一條平直的線。此後，他們運用更先進的望遠鏡和光譜儀繼續研究星系運動，觀測的其他8個星系的旋轉曲線全部都是平直的。其他射電天文學家們對星系的觀測也得出了與他們相同的結果，在對25個其他星系的觀測中，有22個星系的旋轉曲線都是平直的。這些觀測結果都指向一個重要的方向，一定有什麼人們所不知道的東西在影響星系的行為，宇宙中應該存在著大量的「迷失質量」。

20世紀70年代，普林斯頓物理學家JimPeebles與天文學家Jeremiah Ostriker共同研究了銀河系的運動，他們創建銀河系的計算機模型，讓整個系統旋轉，結果在第一個2億年的旋轉中，模型中的銀河系就出現了災難性的搖晃。因此，兩個科學家都認為，需要某種東西來維持旋轉星系的穩定。於是，他們為計算機模型加入星系暈，通過不斷嘗試，最終發現，只有不可見的星系暈同星系可見部分的質量大體相當時，銀河系才能保持穩定。1973年，他們發表了一篇文章，稱銀河系的星系暈質量，以及其他旋渦星系的星系暈質量可能極其巨大。隨後，Peebles等繼續分析天文學家已有的觀測，並得出一個結論：普通星系的質量可能一直被低估了10個或者更多的量級。

與此同時，粒子物理學的發展同步地得到了一個相應的解釋：那些包括星系暈在內的「迷失質量」，應該是由「不是構成我們的材料」所構成的。這種特殊「物質」應該不是由我們所熟悉的質子和中子（質子和中子統稱為重子）構成的，它們應該跟自己、跟其他物質都不會發生相互作用。雖然如此，但暗物質應該具有質量，並且與「正常」物質間有引力作用。

科學家們認為，暗物質粒子應該和其他粒子一樣，運動或快或慢。對於那些非常輕、以接近光速運動的暗物質粒子，稱之為熱暗物質；那些比較重，運動相對較慢的，稱之為冷暗物質。對這兩種暗物質，科學家們建立的理論模型表明，不同的暗物質對宇宙演變的影響方式也有所不同——熱暗物質會促使先形成較大的結構，隨著時間推移逐漸碎裂成小的結構（如先形成超星系團，然後再分裂成較小的星系團、星系）；冷暗物質會促使先形成小的結構，然後再逐步形成越來越大的結構（如先形成星系，再形成星系團、超星系團）。

上世紀末，天文學家開始用「2度視場星系紅移巡天」繪製宇宙的三維地圖（這是採用多光纖技術的新一代巡天計劃，2002年7月，計劃中的25萬個星系已基本觀測完畢，獲取了22萬餘個星系的準確紅移值，完成了該巡天的觀測部分）。2000年之後，天文學家開始了「斯隆數字巡天」項目（斯隆數字巡天記錄了大量天體的位置和距離數據，為研究宇宙的大尺度結構提供了重要資料）。

通過這些巡天觀測，天文學家們得到的分布圖都與冷暗物質理論模型相一致，宇宙的確是經歷了一個先聚結成小結構，再由小結構聚集成大結構的過程——在紅移2到4的時候，也就是大約90到120億年前，星系形成；在紅移小於1的時候，也就是大約60億年前，星系聚集成星系團；現在，星系團正在聚集成超星系團。

2006年，宇宙演化巡天（COSMOS）發布了暗物質的分布圖。這次巡天分析了500多例哈勃太空望遠鏡拍攝的照片，這些照片反映的都是位置上一前一後排成一條線的兩個星系或星系團——天文學家利用星系或星系團的弱引力透鏡效應進行計算，來自前景天體的光說明那裡看上去有多少物質，而對背景天體的引力透鏡效應則能夠說明，前景中實際存在多少物質，兩個數值之間的差就是暗物質。

關於暗物質，還有一個很多人都已知曉的，著名的子彈星系團（BulletCluster）的例子。2006年，哈勃太空望遠鏡、錢德拉X射線天文衛星、拉斯坎帕拉斯天文台的麥哲倫望遠鏡都捕捉到了子彈星系團1E 0657-56（子彈星系團是由兩個相互碰撞的星系團形成）的照片。通過利用X射線和引力透鏡對這一碰撞的觀測，當時在亞利桑那大學的Douglas Clowe將可見的氣體和不可見的物質分離開。通過X射線觀測到的可見氣體大量集中在碰撞的中心（由於引力作用而集結），通過引力透鏡檢測出的不可見物質在碰撞的兩側都出現了。NASA為它們上了色，粉紅色代表可見氣體，藍色代表不可見物質。這張照片成為暗物質存在的最著名的簡潔證據。

圖片：著名的子彈星系團。

目前，科學家們提出了兩種類型的暗物質的成分，並將其稱為WIMPS和MACHOS。WIMPS是weakly interacting massive particle的縮寫，意為大質量弱相互作用粒子；MACHOS是massivecompact halo object的縮寫，意為暈族大質量緻密天體，又名大質量緻密暈天體。WIMPS是一些新型粒子，通過弱相互作用互相影響，世界各地都建有一些大型實驗室來尋找這種粒子。MACHOS是一些行星大小的天體，黑洞、褐矮星等在星系暈中無法探測到的天體都有可能是。

二．天文學家捕捉到第一張連接星系的暗物質橋的合成圖

這個消息無疑是十分激動人心的，加拿大滑鐵盧大學的科學家們已經捕捉到第一張連接星系的暗物質橋的合成圖！這張圖像證實了曾經的預言——宇宙中的星系是通過一張宇宙網（cosmic web）「連接」在一起的，而這張宇宙網則是由目前為止依然無法直接看到的暗物質所連接的。

「幾十年來，研究人員一直預言星系之間的暗物質細絲（dark-matter filaments）的存在，這種類似網狀的上層構造將星系之間彼此連接起來，」滑鐵盧大學物理和天文系教授Mike Hudson說，「這張圖像使我們越過預言，接觸到一些我們可以測量的東西。」

圖片：暗物質細絲（以紅色顯示）將這個假色圖上的星系（白色）之間的空間連接起來。 來源：Seth Epps＆Michael Hudson，滑鐵盧大學。

Hudson教授和他的同事Seth Epps使用了一種稱為弱引力透鏡的技術。弱引力透鏡（weak gravitational lensing）是從遙遠的背景星系發出來的光被前景星系輕微扭曲之後產生的一種像的形變效應。它是一種可以反映宇宙物質密度擾動的純引力效應，不同於強引力透鏡（stong lensing）或微引力透鏡（micro lensing）的是這種效應沒有產生愛因斯坦環或者弧形扭曲那樣強烈的形變。

他們使用的圖像來自加法夏望遠鏡（Canada-France-Hawaii Telescope）所進行的多年巡天項目（multi-yearsky survey）。研究人員組合了來自超過23000對星系的透鏡圖像，這些星系距離地球約45億光年之遠，最終他們創建了一個合成圖像，顯示了星系間暗物質的存在。

結果顯示，在相距4000萬光年內的系統之間，暗物質細絲橋（the dark matter filament bridge）最為強大（strongest）。

Epps 說，「通過使用這種技術，我們不僅能看見宇宙中暗物質細絲的存在，我們還能看見這些暗物質細絲將星系之間連接的程度。」

這項最新的研究結果刊登在《皇家天文學會月報》上，感興趣的朋友可在網上查閱，鏈接：

weak-lensing masses of filaments between luminous red galaxies

本文後部分內容參閱了滑鐵盧大學的相關消息。

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