揭開暗物質的神秘面紗

NASA的哈勃太空望遠鏡(HST)和歐洲南方天文台地甚大望遠鏡(VLT)共同拍攝到了一個暈族大質量緻密天體(Macho)微引力透鏡的光譜和照片,這個微引力透鏡是鄰近的一顆矮星引起的,它將另外一個星系中一顆恆星的光聚焦了。

所以,認為暗物質的大部分是以小而暗的恆星存在於星系中的這個理論,得到了強有力的支持。

暗物質之謎

暗物質的性質,至今仍然是天體物理領域中一個不解的謎團。對星系團和大尺度的觀測向我們表明:也許,宇宙中不過1/4的物質是我們平時所見到的原子和分子組成的。而在這些物質內,只有1/4的物質能夠放出我們能夠覺察到的輻射。所以,宇宙的大部分對我們來說是暗的,我們同樣也不了解它的組成。

在過去的十年中,為了尋找暗物質的候選人,人們花費了不少的力氣。一個可能就是,暗物質是由弱相互作用大質量亞粒子組成的,也就是平時所說的WIMP。另外一種可能就是,暗物質是由暈族大質量緻密天體(Macho)組成的,例如已經死亡或者正在死亡的恆星(中子星或者冷的矮星)。各種黑洞和行星大小的石塊、冰。

Macho

1986年,Bohdan Paczynski意識到,如果暗物質是以Macho形式存在的話,那麼,我們就可以用它對遠距離星光的引力作用來判斷它的存在。

如果銀河系中的一個Macho經過另外一個鄰近星系中的背景星,那麼,Macho的引力將使得背景星的星光彎曲,而後聚焦到我們的眼睛中。在這個過程中,Macho扮演了一個引力透鏡的角色,當Macho通過背景星之前時,背景星的亮度將劇增。

而亮度增大的時間的長短,依賴於這顆Macho星體和我們之間的距離。亮度增大的方式和持續時間,也就是光度曲線,我們可以通過理論來預言,而且,這些也是尋找暗物質的一個重要的信號。

相對於星系團這些大的引力透鏡來說,Macho所形成的引力透鏡要小的多,所以,我們稱之為"微引力透鏡"。其實,ESO曾經多次接受這樣觀測微引力透鏡的任務,比如,對我們銀河系中一顆恆星星光的研究。

Macho計劃

1991年,美國Lawrence Livermore國家實驗室--也就是美國的粒子天體物理研究中心和澳大利亞國立大學的天文學家們就開創了這個計劃。這些天文學家花了整整8年的時間來監視大麥哲倫星雲中超過一千萬顆恆星的亮度。

1993年,他們第一次發現了引力透鏡的現象,至今,在大麥雲的方向上,他們已經報道了近20次的引力透鏡現象,這個結果說明,在銀河系的內部和周邊地區,有不少的Macho物體,而且,這些物體可能包含多達50%的暗物質。

哈勃拍攝到了Macho的照片(圖一)

這張圖片時HST的WFPC2(寬視場行星照相機2號)在V、R和T波段經過三次曝光而排設成的(這三個波段分別視藍、綠和紅色的光)。這就是暗物質的第一張照片--一個Macho。它是一個紅色的天體,圖中已經用了箭頭表示出了,而且非常接近右上方一顆藍色的背景星。這個Macho實際上是一個距離我們十分近的紅矮星,它將另一個星系中的一顆恆星的光匯聚,所以我們叫它為"透鏡"。由於觀測到的引力透鏡是在6年以前,所以,這個Macho已經在天空中運行了0.134角秒,所以,在哈勃的圖片中,我們可以看出,背景星和這個Macho已經分開了。

為了更深入的研究引力透鏡的現象,這個小組使用哈勃太空望遠鏡來拍攝受引力透鏡作用的恆星的照片。

我們可以看見,圖片中,有一個暗紅色的星體,靠近大麥雲中的一顆藍色的恆星,它們之間的距離不超過1角秒。

這張圖片是哈勃在那次引力透鏡現象發生之後拍攝的。當時這個現象持續了100天左右的時間。這顆紅矮星的亮度、運祥方向和與大麥雲中那顆恆星之間的距離,完全符合多年前計算出來的光度曲線。

這也表明,這個Macho是一個暗的矮星,距離我們約600光年,它的質量約是太陽的5%~10%。

VLT有關它們的光譜(圖片2)

圖二向大家展示了圖一中兩個相互靠的很近的天體的光複合而成的光譜。這張光譜,是8.2米的VLT望遠鏡的一台多制式儀器弄下來的。這台儀器經過4次曝光,每次曝光的時間是1500秒,最後才得到了這張光譜。在這張圖片中,我們可以看見,金屬和強鹼的共振譜線,特別是鈉(Na),這表明,這顆肯定是較冷的星體。而碲(Te)分子,則是地球大氣的標誌。

為了進一步認證這些發現,這個隊伍向ESO申請了進一步觀測的權力。ESO立刻同意了這個計劃。雖然,分開這兩個星體的光譜是十分不容易的,但是,這個綜合的光譜還是向我們說明了一切。在紅光區,可以看到十分明顯的吸收線,說明這是一顆M型的矮星。除了這個光譜,在上面,我們還可以看見一顆典型的藍色主序星的光譜。

暗物質的性質

Macho計劃中的微引力透鏡的光度曲線、哈勃光解析度的照片,也是和Macho計劃中的暗物質的第一次"交鋒"。國際著名的《自然》雜誌為這些天文學家們記下了一筆。

HST和VLT使得天文學家研究這個Macho變成可能:它的質量,它與我們之間的距離,還有它的速度。這個結果,強有力的支持了,認為銀河系內和周邊地區的大部分"平常"的暗物質是以Macho形式存在的這一論題。因此,暗物質實際上並沒有我們想像的那麼暗。

在以後對Macho的研究中,可能會描繪下這一類暗物質,也會解釋在星系形成的過程中,他們所扮演的角色。方然,在此過程中,我們也會逐步了解暗物質的秘密,也會向宇宙質量之謎的結果邁開一大步。