暗物質是宇宙模型中最重要組成部份之一。這種奇異物質對於宇宙的起源和演化都有至關重要的影響。然而,最新的研究表明目前對暗物質理論很可能有嚴重缺陷。這將可能動搖整個宇宙模型的基石。

現在的宇宙模型認為宇宙中大約85%的物質都是暗物質。之所以稱為暗物質,是因為它完全不發光,所以無法被直接觀測。它的存在只有通過其對宇宙中可見物質的引力才能探測到。

天文學家探測暗物質的一種常見方法是測量其引力如何扭曲其周圍的宇宙空間,這種現象稱為引力透鏡。令人驚訝的是,新觀測發現,星系團中的小型暗物質集團產生的引力透鏡效應比預期強10倍。

星系團是宇宙中最龐大的結構,由許多星系組成。它是宇宙中最大的暗物質倉庫。它們不僅在很大程度上由暗物質的引力保持在一起,而且各個星系本身也充滿了暗物質。因此,星系團中的暗物質既有大範圍也有小範圍的分佈。

「星系團是了解宇宙的電腦模擬是否能正確表現我們對暗物質及其與可見物質相互作用的理想實驗室。」文章第一作者,意大利國家天體物理研究所(INAF)研究員Massimo Meneghetti說。

Meneghetti補充道:「在比較這項研究中的電腦模擬和觀測數據時,我們進行了許多仔細的測試,然而我們仍然發現不匹配的情況。這種差異的一個可能原因是,我們目前的理論模型缺少一些關鍵的部份。」

美國耶魯大學(Yale University)的Priyamvada Natarajan教授說:「我們目前的理論模型根本無法理解真實宇宙的一個重要特徵。我們目前理論對於了解暗物質的本質及其性質與真實宇宙情況之間還有巨大的鴻溝,因為這些精美的觀測數據使我們能夠在最小尺度上探究暗物質的詳細分佈。」

暗物質在星系團中的分佈是通過它們產生的引力透鏡效應來繪製的。暗物質的引力放大並扭曲了來自遠處背景天體的光,就像放大鏡一樣。甚至有時同一個背景天體會被引力透鏡扭曲形成多個圖像。星系團中暗物質的濃度越高,其光彎曲越劇烈。

利用哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)和歐洲南方天文台的超大望遠鏡(Very Large Telescope)的觀測數據,研究團隊製作了準確的,高保真度的暗物質分佈圖。

研究團隊確定了數十個由於引力透鏡多重成像的背景星系。

通過測量引力透鏡造成的光線扭曲,研究團隊可以了解暗物質的數量和分佈。

令研究團隊詫異的是,哈勃望遠鏡的圖像還顯示出較小規模的弧形和扭曲的圖像,這些圖像嵌套在每個星系團最核心的大質量星系區域內。

研究團隊認為,這些小規模的扭曲圖像是單個星系暗物質的引力造成的。

研究團隊進一步利用光譜測量星系團內幾個星系內部恆星繞行的速度。「根據我們的光譜學研究,我們能夠將星系與每個星團相關聯,並估計它們的距離。」意大利費拉拉大學(University of Ferrara)的Piero Rosati教授說。

恆星速度估每個星系質量

意大利國家天體物理研究所研究員Pietro Bergamini補充說:「恆星的繞行速度使我們可以估算出每個星系的質量,包括暗物質的質量。」

研究團隊將觀測到的暗物質分佈圖與電腦模擬的類似星系團樣本進行了比較。結果在電腦模擬中的星團在最小尺度上沒有顯示出觀測到的暗物質濃度,而這個尺度正是與宇宙中與各個星系相關的尺度。

研究團隊計劃進一步分析觀測數據並與目前暗物質模型進行比較,希望能找到現在理論的缺陷原因和揭示暗物質的本質。

這項新研究發表於2020年9月11日的《科學》雜誌上。◇