哈勃繪就迄今最精準的星系團質量分布圖

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原文標題：New mass map of a distant galaxy cluster is the most precise yet副標題：Stunning new observations from Frontier Fields原文作者：Mathilde Jauzac，Jean-Paul Kneib，Eric Jullo，Johan Richard，Georgia Bladon來自：哈勃歐洲信息中心；發表時間：2014.7.24翻譯：gohomeman1 審校：Linq （編譯版權所有，未經許可請勿轉載）

藉助美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的哈勃太空望遠鏡，天文學家獲得了迄今最精準的星系團質量分布圖。根據哈勃前沿場項目中的新觀測數據，一個團隊繪製了編號MCS J0416.1-2403、總質量達160萬億個太陽的超星系團的質量分布圖。分布細節應感謝哈勃提供的空前深度的數據，以及星系團的強大引力透鏡效應。

哈勃ACS拍攝的星系團中心區域，大圖：115MB，版權：NASA，ESA；研究者團隊，下同。

本圖由美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的哈勃太空望遠鏡的高級巡天相機（ACS）拍攝，配色如下：435nm的藍光，藍；606nm的橙光，綠；814nm的近紅外光，紅。要測量一個遙遠天體的質量大小及分布是很困難的事，天文學家常用的技巧是通過研究大型星系團對其後方極遙遠天體星光的引力透鏡效應，探測其質量分布。這也是哈勃前沿場項目的主要目標之一，該雄心勃勃項目計劃對6個不同的星系團進行巡天，其中就包含本圖中這個漂亮的MCS J0416.1-2403（注1）。巨大的質量團塊能夠彎曲其周圍的時空結構。就像透鏡一樣，它們能放大、扭曲經過該區域的更遙遠天體發出的光（注2）。現在藉助NASA和ESA合作的、位於太空的獨一無二的哈勃望遠鏡，以及安裝在哈勃上高靈敏的先進巡天相機（ACS）和第三代廣域相機（WFC3），天文學家團隊成功探查了相當遙遠的著名巨橢圓星系半人馬A的暈（編號NGC 5128，注1）。他們發現，星系暈延伸距離遠超想像，而組成的恆星也出人意料。儘管擁有巨大的質量，但星系團對所在時空的引力透鏡效應通常仍是很小的。在大部分情況下，它們只能表現出所謂的弱（引力）透鏡效應，使得更遙遠的光源變得略微橢圓或者有些模糊。但是，假如星系團的質量足夠大，而背景天體恰好在同一視線方向，透鏡效果就會很有戲劇性：通常的星系圖像會拉伸為光弧甚至光環，並可能產生多個像。該效應稱為強（引力）透鏡效應。前沿場項目觀測的6個星系團都能產生強效應，本例中就根據哈勃的新觀測數據，繪製了MCS J0416.1-2403的質量分布圖。前沿場項目研究報告首席作者、南非天體物理學和宇宙學研究機構成員、英國杜倫大學的Mathilde Jauzac（女）解釋說：「哈勃巡天數據深度極大，我們能看到極暗的天體，因此也能發現更強的透鏡效應。雖然經過了強引力透鏡效應的放大，這些極遙遠的背景星系仍舊很暗。極深的數據意味著我們能夠辨認極遙遠的天體。我們現在發現的強引力透鏡效應作用的星係數量，是我們開始工作前的4倍。」藉助哈勃上高靈敏的先進巡天相機（ACS），天文學家團隊在星系團周圍新鑒別出51組背景星系圖像（一個星系多個像），比最初巡天圖像中辨認出來的多3倍，並使總數達到68組。由於這些星系成了多個像，所以一幅圖像中有強透鏡效應的星系有近200個。這使得Jauzac和她的同事能夠準確計算（普通）物質和暗物質的分布，並給出具有高度約束性的質量分布圖（注3）。

專業PDF插圖，分別以藍色和粉紅標出51組新發現的、17組此前已發現的背景星系像。

團隊成員Jean-Paul Kneib繼續說：「雖然我們早在二十多年前就知道如何通過強引力透鏡效應分析繪製星系團的質量分布。但要，望遠鏡要達到充分的觀測深度和解析度，以及讓我們的數學模型達到足夠的精緻程度，能夠適應像MCS J0416.1-2403這樣複雜的環境，都需要很長的時間。」通過分析圖像中最可靠、清晰的57組星系，天文學家給出了MCS J0416.1-2403中普通和暗物質的分布詳圖。Jauzac補充道：「我們獲得的分布圖，比此前那些模型給出的，至少好1倍。」以模型統計的65萬光年為限，MCS J0416.1-2403星系團的總質量，約為160萬億個太陽，分析精度是迄今最高的，比此前同類星系團的分析精度高數倍（注4）。根據精確描繪星系團中的質量分布，天文學家還能高精度地測量時空的彎曲程度。Jean-Paul Kneib繼續補充道：「哈勃前沿場項目和引力透鏡技術相結合，給出了非常精準地刻畫遙遠天體屬性的方法。本例中，該星系團的光需要45億年才能到達我們這裡。但是，我們還不能就此止步。要獲得更精準的質量分布，我們還得添加弱引力透鏡效應的測量結果。雖然它現在只能給出星系團內核區域的粗略質量估計，弱透鏡效應還是給出了星系團核心區質量的有價值情報。」團隊將繼續研究通過哈勃超深度圖像和強、弱引力透鏡效應，研究星系團外圍的質量分布情況，就像他們已經在內核區做過的一樣。這樣就能獲得星系團外圍的基礎結構，並與對星系團紅移的光譜測量、對熱氣體的X線測量結果相比較（注5），評估暗物質、氣體、恆星各自在質量分布中的貢獻。組合上述數據來源能進一步提高質量分布圖的細節，以3D形式展示，並包含其中星系間的相對速度（根據紅移）。這為我們了解此星系團的形成和演化歷史，鋪平了道路。團隊研究報告已經於2014.7.24在《皇家天文協會月度通訊》官網上發表了在線版本。

星系團中心區的質量分布圖，大圖：84.3MB。

附註1、該星系團的編號也稱為MACS J0416.1-2403。2、宇宙中大質量天體能夠彎曲其附近的時空結構，這是阿爾伯特·愛因斯坦劃時代的廣義相對論的著名預言之一。3、引力透鏡效應是天文學家用以探測暗物質的少數工具之一。暗物質佔據了宇宙總體質量—能量分布的近1/3，完全不能通過直接觀測發現——因為它不參與電磁相互作用，既不發射也不吸收光；甚至能夠直接穿透普通物質而不發生碰撞（也不參與強相互作用，它參與的弱相互作用反應截面也很小，譯註）。幸虧它參與引力相互作用，所以它的存在只能通過其引力效應而被間接發現。4、本觀測分析的不確定性僅有0.5%，或者相當於1萬億個太陽質量。看起來貌似誤差的絕對值極大，但請注意本觀測的標的是160萬億個太陽，精度已經非常高了。5、星系的紅移數據由地面望遠鏡獲得，而NASA的錢德拉X線空間望遠鏡觀測了星系團中熾熱氣體的X線輻射。