宇宙很暴躁：兩個星系團打架曝光暗物質

07-26

【科技訊】3月28日消息，宇宙最狂暴事件：兩星系慘烈撞擊僅次於宇宙大爆炸!太空是一個狂暴的地方：小行星和彗星撞擊行星，恆星發生爆炸或者被黑洞撕裂。但是，從規模來看，也許沒有什麼能比星系團之間的碰撞更為猛烈的了。

宇宙中的這些團塊通常都包含幾百個星系，每個星系都有數十億至數萬億顆恆星，是引力將它們捆綁在一起。當一個星系團距離另一個星系團很近時，兩個星系團間的引力會猛烈地將它們拉到一起。隨之發生的碰撞是巨大的，會產生比大爆炸以來任何其他事件都要多的能量。

最大以及最著名的一個實例就是子彈星系團大碰撞，碰撞涉及兩個星系團，總共1000多個星系。這次撞擊非常強烈，形成了巨大的子彈形衝擊波，因而得名。

子彈呈系團

撞擊的殘跡的確給人以深刻的印象。但是，天文學家並非只是圍觀看熱鬧。他們發現，這次撞擊揭示了看不見的東西：暗物質。人們認為暗物質是將星系團結合在一起的「膠」，是它形成了整個宇宙中恆星、氣體和星系的引力基礎。

多虧了子彈星系團大碰撞，科學家得以看清楚這種神秘的東西。這次碰撞暴露了暗物質，將其與恆星和氣體等常規物質分開，給我們提供了一條暗物質真正存在的直接證據。

美國加利福尼亞大學戴維斯分校的天體物理學家馬魯薩·布拉達克說：「在宇宙中，這是我的最愛。」

這並不僅僅因為它告訴了科學家有暗物質存在。該星系團是一個萬能的工具，可以幫助研究人員研究曾經存在的最早的星系。它也是一個宇宙實驗室，通過它，物理學家能夠研究被稱為等離子體的帶電熱氣的基本行為。

子彈星系團位於南方星空，距離地球37億光年，是由兩個星系團以大約每小時1000萬千米的高速撞擊形成。雖然按人類的標準來看這的確很快，卻仍沒有打破宇宙中的任何紀錄(有些恆星的運行速度更快)。但由於它們的體積龐大，這次碰撞非常有力。

發生碰撞的兩個星系團，一個的質量是太陽的1000萬億倍，另一個的質量是太陽的100萬億倍。這樣的兩個重量級選手相互撞擊，組成它們的熱氣升溫至2億攝氏度，這就形成了子彈星系團這個已知的最熱的星系團。

我們就像觀眾一樣，坐在它們的旁邊觀看研究人員估計，這次撞擊的總能量大約是1022焦耳，這顯然是一個讓人感到荒謬的能量。它相當於6萬億個太陽自宇宙誕生以來(約138億年)燃燒產生的所有能量。

整個撞擊無論從時間還是空間來說都是超級巨大的。今天我們看到的碰撞實際上已經持續了1.5億年，仍需20億年才能塵埃落定。它讓天文學家能夠得到碰撞發生過程中史無前例的一瞥。

雖然子彈星系團的巨大質量和能量肯定使其與眾不同，但是更為獨特的是它的方向。碰巧的是，這次碰撞與我們的視線正好垂直。美國芝加哥大學天體物理學家安德雷·克拉夫佐夫說：「我們就像觀眾一樣，坐在它們的旁邊觀看。」

天文學家坐在最佳位置，可以對該碰撞展開更為精確的觀測。

經過兩年的跟蹤觀測後，2006 年，布拉達克和美國俄亥俄大學的道格拉斯·克勞伊牽頭的一個天文學家小組對哈勃空間望遠鏡和錢德拉X射線天文台獲得的新數據進行了分析，對星系團中的正常物質進行了定位。

星系團中的絕大多數正常物質由氣體構成。因為該星系團巨大，其引力對氣體分子作用很強，可加快其速度，使其發熱，因而放射X射線。碰撞的星系團使氣體進一步升溫，產生更多的X射線。這意味著X射線能夠向天文學家揭示大多數正常物質在星系團中的位置。

天文學家首次探測到暗物質

然後，利用哈勃空間望遠鏡的數據，研究人員就能夠繪製星系團質量的方位。無論是正常物質還是暗物質，只要它有質量，就有引力，它的引力就能夠使背景中的星系發出的光彎曲。質量越大，透鏡的功能就越強，光就會被更多地翹曲。

把這些觀測結果放在一起，天文學家發現子彈星系團大約80%的質量集中在一個區域，但這個區域無論是X射線還是其他什麼類型的光都不是最強的。如果這一大塊質量不是氣體，那麼它一定是暗物質。

通常，像氣體和恆星這樣的正常物體鑲嵌在暗物質巨大的光環之中，引力將其結合到一起。但是，像形成子彈星系團那樣的碰撞可以把它們撕開。

當兩個星系團相撞時，它們的氣雲相撞並相互降低對方的速度。可是，暗物質幾乎不與任何物質相互作用，只是天馬行空，所以在星系團相撞後，它們會像鬼魂一樣穿越對方，身後留下氣體。天文學家碰巧捕捉到了處於碰撞中期的子彈星系團，他們的測量抓住了暗物質開始甩開氣體的那一瞬間，所以首次探測到了獨處的暗物質。

我們觀測到的質量的特性顯然不像已知的地球上的任何東西暗物質這個概念並不新鮮。從20世紀30年代開始，科學家就提出了其存在的假說。

雖然多數人認為它真的存在，但是所有的證據都是間接的。例如，有些星系旋轉速度很快，所以應當會飛離。像暗物質這樣的東西一定是緊隨恆星，把星系捆綁在一起。然而，沒有直接證據，那麼這種東西是否真的存在就不那麼確定了。

有些研究人員暗示，解釋那些令人好奇的現象無須用一種神秘的物質。他們說，也許是引力定律錯了，引力在大尺度上的表現會不同。如果對引力定律加以修改，就能解釋暗物質的怪異現象。

布拉達克說：「可是我們在子彈星系團大碰撞中觀測到的質量的特性很顯然不像已知的地球上的任何東西。」那些經過改進的引力理論不能解釋為什麼最大質量不在氣體最多的地方。「因為顯然不在一起，修改引力定律的所有理論基本上都被排除了」。

有些人仍然認為，有一種未知的中微子能構成子彈星系團中看不見的質量。但是，這仍然是少數人的觀點。克拉夫佐夫說：「天文學界大多相信，這是有關暗物質的最強有力的證據。」

但是，僅僅知道暗物質存在還不夠，科學家想知道暗物質是什麼。他們假設暗物質一定是由全然未知的某種或某類粒子構成，不與正常粒子相互影響或產生任何射線，以此解釋它們為什麼那麼難於辨識。事實上，多數受人歡迎的理論認為，這些暗物質粒子之間也不發生相互作用。

研究人員仍需要探測到這類粒子的存在。他們說，暗物質粒子也許能夠發生自我作用，像撞球一樣碰撞並相互彈跳。

我們可以給暗物質的特性確定一個數字如果暗物質自身相互作用，這種作用力有多強?確定暗物質是否相互作用的一個方法就是粒子碰撞。在暗物質粒子碰撞時，是乾脆相互穿越，還是發生彈跳?

科學家很幸運，他們無須費事建立暗物質粒子對撞機，因為那些碰撞正在子彈星系團中自然發生。這兩個正在融合的星系團被鑲嵌在暗物質的光環中，因此當星系團對撞時，暗物質也對撞。

截至目前的觀測表明，在子彈星系團中，暗物質自身似乎不大相互作用。但這並不一定意味著暗物質不會發生相互作用，而是相互作用的力度有限。布拉達克說，因為明顯觀察到碰撞的發生，而且也得到了很好的界定，子彈星系團提供了一些最佳數據，「我們實際上可以給暗物質的特性確定一個數字。以前從來沒有真正這樣做過」。隨著研究人員繼續改進他們的子彈星系團計算機模擬，我們能夠更詳細地算出目前發生的情況，甚至更好地測量暗物質的特性。

當然，這仍然需要其他數據。布拉達克參與了基地設在美國的研究小組，研究其他 25個星系團的碰撞。他們希望能夠確切知道暗物質自身是否相互作用。

這是我們看到的為數不多的、明顯的宇宙衝擊案例之一雖然暗物質使子彈星系團聞名於世，但事情並非僅此而已。實際上，布拉達克越過了該星系團，探測的是它後面的星系。

這個星系團非常巨大，其引力使背景星系釋放的光彎曲。這種引力透鏡效應將子彈星系團變成了一面巨型放大鏡，讓天文學家更清楚地看到背景星系。

那些遙遠的背景星系很重要，因為它們是宇宙最早形成的一部分。子彈星系團讓人們瞥見年輕的宇宙以及星系如何形成。

至於子彈星系團本身，物理學家正藉助它來理解被稱為等離子體的荷電熱氣的基本表現。它是兩個星系團產生巨大衝擊波的一個獨特實例。克拉夫佐夫說：「這是我們看到的為數不多的、明顯的宇宙衝擊案例之一。」

太陽系也有這樣的碰撞發生。太陽噴射出帶電粒子，被稱為太陽風。這些粒子撞擊地球的磁氣圈(地球磁場形成的保護性氣泡)時，就會產生碰撞。

今後的若干年裡，通過這些工具會發現幾萬個星系團與一個星系團相比，太陽系的等離子體密度更大，而且還有強大的磁場。但是，儘管存在這樣的差異，研究子彈星

系團中的等離子體仍有助於認識太陽系及其他空間的等離子體。

顯然，子彈星系團極其有用。克拉夫佐夫說，這樣的星系團相對稀罕，如此巨大的星系團只會在其整個生命中體驗到一兩次巨大的碰撞。

現在，天文學家正在通過位於智利的兩台望遠鏡——布蘭科望遠鏡上的暗能相機和阿塔卡馬宇宙望遠鏡——掃視天空，來搜尋更多的星系團。通過這些觀察，他們將找到更多、更大的星系團(據估計，宇宙中可能有幾十萬個質量超過太陽1萬億倍的星系團)。

當然，在此之前，子彈星系團仍然獨一無二。