神秘的黑暗斑點(diǎn)潛伏在遙遠(yuǎn)的星系深處

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翻譯：尹天任

校對(duì)：蔡賀菁 王茸

審閱：牧夫校對(duì)組

編排：張榮娜

原作： Michelle Starr

https://www.sciencealert.com/mysterious-blob-of-darkness-found-lurking-deep-in-distant-galaxy

天文學(xué)家通過(guò)一次驚人的“引力偵探”壯舉，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)神秘而致密的不可見(jiàn)物質(zhì)團(tuán)塊，嵌在一座距離地球約73億光年的星系中。

這個(gè)團(tuán)塊究竟是什么，目前仍是一個(gè)未解之謎。但就它被探測(cè)到的距離而言，它的質(zhì)量是極其微小的——僅約為太陽(yáng)質(zhì)量的一百萬(wàn)倍。這是迄今為止人類在宇宙尺度上通過(guò)引力效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的最小天體，打破了此前紀(jì)錄約100倍。

德國(guó)馬普天體物理研究所的天體物理學(xué)家德文·鮑威爾（Devon Powell）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)表示：
“這是我們已知的通過(guò)引力效應(yīng)在宇宙學(xué)距離上探測(cè)到質(zhì)量最低的天體，比此前的記錄低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。”

“這一研究證明了利用引力成像在遙遠(yuǎn)宇宙中探測(cè)數(shù)百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量級(jí)天體的可行性。”

根據(jù)我們對(duì)宇宙的觀測(cè)，宇宙中存在某種不發(fā)出光、且只通過(guò)引力與宇宙其余部分相互作用的物質(zhì)。

我們稱這種東西為“暗物質(zhì)（dark matter）”。科學(xué)家提出了若干可能的解釋，但暗物質(zhì)的分布狀態(tài)——是平滑的還是團(tuán)塊狀的——對(duì)揭示其本質(zhì)至關(guān)重要。然而，由于暗物質(zhì)不發(fā)光，繪制其分布圖極具挑戰(zhàn)。

此時(shí)，引力成為關(guān)鍵。宇宙中一切具有質(zhì)量的物體都會(huì)使周圍的時(shí)空彎曲。質(zhì)量越大，彎曲越強(qiáng)。想象在蹦床上放一個(gè)保齡球，若讓一個(gè)彈珠在蹦床布上滾動(dòng)，它會(huì)沿著被保齡球壓出的弧形軌跡運(yùn)行。

引力透鏡效應(yīng)示意圖。

圖片來(lái)源：NASA, ESA & L. Cal?ada）

現(xiàn)在把保齡球想象成一個(gè)星系，而彈珠則是一顆光子。當(dāng)來(lái)自更遙遠(yuǎn)星系的光子群穿過(guò)前景星系（保齡球）造成的時(shí)空彎曲區(qū)時(shí)，它們到達(dá)我們時(shí)會(huì)被拉伸、扭曲、放大。這就是所謂的“引力透鏡效應(yīng)”。

這種透鏡不僅能放大遙遠(yuǎn)宇宙中的影像，還能幫助天文學(xué)家根據(jù)扭曲的光線分布反演出前景物質(zhì)（包括暗物質(zhì)）的質(zhì)量分布。

鮑威爾團(tuán)隊(duì)正是利用這一方法，結(jié)合多臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡——包括綠岸望遠(yuǎn)鏡（GBT）、甚長(zhǎng)基線陣列（VLBA）以及歐洲甚長(zhǎng)基線干涉網(wǎng)（EVN）——對(duì)一個(gè)著名的引力透鏡系統(tǒng) JVAS B1938+666 進(jìn)行觀測(cè)。

該系統(tǒng)由一個(gè)距離地球約73億光年的前景星系和一個(gè)距離約105億年的背景星系組成。后者的光經(jīng)過(guò)前景星系引力彎曲后，被拉伸并形成四個(gè)像。

JVAS B1938+666透鏡系統(tǒng)，插圖顯示了斑點(diǎn)的位置。

白色像素顯示了該團(tuán)塊的大致形狀。

圖片來(lái)源：Keck/EVN/GBT/VLBA

在這些成像中，一條明亮的弧狀光帶特別引人注意。研究者在弧線上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“收縮的凹陷”，而這種變形不可能由透鏡星系單獨(dú)產(chǎn)生。團(tuán)隊(duì)推測(cè)，必然存在一個(gè)額外的質(zhì)量團(tuán)塊造成這一現(xiàn)象，這一結(jié)論的置信度高達(dá)26σ。

荷蘭格羅寧根大學(xué)的天文學(xué)家約翰·麥基恩（John McKean）表示：“從第一張高分辨率圖像開(kāi)始，我們立刻注意到弧線變窄的現(xiàn)象，這正是我們發(fā)現(xiàn)某種質(zhì)量團(tuán)塊的標(biāo)志。只有在我們與遠(yuǎn)方射電星系之間存在另一小團(tuán)質(zhì)量物體，才能造成這種現(xiàn)象。”

這個(gè)團(tuán)塊不發(fā)出任何可見(jiàn)光、射電波或紅外輻射——要么是完全黑暗的，要么亮度微弱到無(wú)法探測(cè)。由此，研究者提出了兩種可能性：一、它是一個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)塊；二、它是一座極度昏暗、尚未被探測(cè)到的矮星系。

目前這兩種解釋都合理，仍需進(jìn)一步觀測(cè)與建模來(lái)確定真相。

鮑威爾說(shuō)：“根據(jù)我們數(shù)據(jù)的靈敏度，預(yù)計(jì)至少應(yīng)能發(fā)現(xiàn)一個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)塊。我們的發(fā)現(xiàn)與‘冷暗物質(zhì)理論（cold dark matter theory）’一致，該理論是現(xiàn)代星系形成模型的核心。”

“現(xiàn)在我們已經(jīng)找到一個(gè)，接下來(lái)的問(wèn)題是——我們能否找到更多？它們的數(shù)量是否與理論模型預(yù)測(cè)相符？”

責(zé)任編輯：楊伯順

牧夫新媒體編輯部

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綠岸望遠(yuǎn)鏡

圖片來(lái)源：NRAO/AUI/NSF

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