天体物理学家发现了理论上的暗物质行为与现实中的行为之间的差异

宇宙的游乐园镜子揭示了暗物质在理论上的行为与现实中的行为之间的区别。

暗物质是使恒星在星系中束缚在一起的无形胶水。它构成了银河系的大部分物质，并形成了一个看不见的支架，将星系束缚在一起形成簇。

暗物质不会发射，吸收或反射光。它不与任何已知的粒子相互作用。它的存在只有通过其对太空可见物质的引力才能知道。

尽管暗物质在整个宇宙中被轻度抹去，但它堆积在称为星系团的空间区域中。这些巨大的星团通过重力结合在一起，由大约1,000个独立星系组成-每个星系都有自己的暗物质团。

耶鲁大学天体物理学家Priyamvada Natarajan和一组国际研究人员在《科学》杂志上的一项新研究中分析了来自多个巨大星系团的哈勃太空望远镜图像，发现与团星系相关的较小的暗物质团比理论家所预测的要集中得多。 。

这一发现暗示科学家对暗物质的理解可能缺少某种成分。

这张哈勃太空望远镜的影像显示了巨大的星系团MACS J1206。嵌入星团中的是遥远背景星系的扭曲图像，被视为弧线和污迹。这些畸变是由星团中的大量暗物质引起的，它们的引力会弯曲并放大来自遥远星系的光线。这种效应被称为引力透镜，使天文学家能够研究遥远的星系，否则这些星系将很难被发现。几个星系星团足够大且密集，足以扭曲和放大遥远的源头。三个引子中的星系代表了这种效应的例子。在右上和右下的快照中，两个遥远的蓝色星系被前景，较红的星系星系所镜头，形成了环和远处物体的多幅图像。左上方银河周围的红色斑点表示来自单个遥远源的氢云的发射。由于镜头原因四次看到的源可能是一个微弱的星系。这些斑点是由智利欧洲南部天文台的超大望远镜（VLT）的多单元光谱浏览器（MUSE）探测到的。斑点不会出现在哈勃图像中。MACS J1206是哈勃（CLASH）进行的星团透镜和超新星调查的一部分，并且是研究人员使用哈勃和VLT研究的三个星系星团之一。哈勃望远镜的图像是2011年由高级测量相机和广角相机3拍摄的可见光和红外光的结合。

耶鲁大学的天文学和物理学教授，研究的高级作者纳塔拉然说：“我们目前的理论模型根本无法捕捉到真实宇宙的一个特征。”“这可能标志着我们目前对暗物质的性质及其性质的理解存在差距，因为这种精妙的数据使我们能够在最小尺度上探究暗物质的详细分布。”

天文学家能够通过星系产生的光的弯曲来“绘制”星系团内暗物质的分布，这一概念被称为引力透镜。像游乐园镜子一样，重力透镜扭曲了星系望远镜图像中出现的背景星系的形状。一团中暗物质的浓度越高，观察到的透镜效应越显着。

研究人员使用了美国宇航局哈勃太空望远镜的影像，再加上欧洲南方天文台的超大型望远镜的光谱学，制作了高保真暗物质地图。

数据的3D视图显示存在暗物质丘陵，丘陵和山谷。从这个角度来看，映射的暗物质看起来像一个山脉，具有峰顶区域。峰值是与单个星团星系相关的暗物质的团块。

研究数据的特别高的质量使研究人员能够测试这些暗物质景观是否与基于质量的近似质量，大致位于相同距离的星系团的基于计算机的模拟相匹配。

他们发现，在最小尺度上（与单个星团星系相关的尺度），模拟没有显示出相同水平的暗物质浓度。

天文学家似乎已经揭示了暗物质行为的一个令人费解的细节。他们发现小的，密集的暗物质浓度比预期的强烈得多，可以使光线弯曲和放大。

Natarajan说：“就我个人而言，发现一个介于观测值和理论预测值之间的差距-在这种情况下为10个差异是非常令人兴奋的，”“我研究的关键目标是测试理论模型，并通过提高数据质量来发现这些差距。这些差距和异常现象经常表明，我们要么错过了当前理论中的某些东西，要么指出了通往全新模型的道路，该模型将具有更多的解释力。”

纳塔拉然花了十多年的时间，利用引力透镜的数据来对付暗物质的理论模型。她说：“数据质量和模型的复杂性直到现在才融合在一起，可以对冷暗物质范式进行压力测试，并且发现了一个裂缝。”

有关此研究的更多信息：

参考：Massimo Meneghetti，Guido Davoli，Pietro Bergamini，Piero Rosati，Priyamvada Natarajan，Carlo Giocoli，Gabriel B. Caminha，R。Benton Metcalf，Elena Rasia，Stefano Borgani和Francesco，“在星系团中观察到的小规模引力透镜过多” Calura，Claudio Grillo，Amata Mercurio和Eros Vanzella，2020年9月11日，科学。
10.1126 / science.aax5164

纳塔拉然说，该团队包括来自意大利，荷兰和丹麦的研究人员，计划继续对暗物质性质的理论进行压力测试。该研究的第一作者是意大利博洛尼亚天体物理学与空间科学天文台的Massimo Meneghetti。