科學也可以如此靠近

子彈星系團證明暗物質存在,但並不是大多數物理學家認為的原因


博科園【博科園-科學科普】下面的圖像由光學數據的合成,射線數據和重建的質量地圖,是天文學中最著名和最有信息的一個。它被稱為「子彈星系團」,它展示了最近發生碰撞的兩個星系團。在星團內的單個星系,就像兩支充滿鳥的槍互相射擊,互相通過,因為碰撞的幾率非常低。引力透鏡...

2018年2月05日17時24分 - 今日科學 / 博科園

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博科園-科學科普下面的圖像由光學數據的合成,x射線數據和重建的質量地圖,是天文學中最著名和最有信息的一個。它被稱為「子彈星系團」,它展示了最近發生碰撞的兩個星系團。在星團內的單個星系,就像兩支充滿鳥的槍互相射擊,互相通過,因為碰撞的幾率非常低。

引力透鏡圖(藍色),重疊在子彈星系團的光學和x射線(粉紅色)數據上,不匹配是不可否認的。圖片版權:X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Optical:

NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

然而每個星團內的星系間的氣體,在很大程度上是分散的,占了大部分的正常物質,碰撞和加熱,發射出我們今天能看到的x射線。但是當我們利用廣義相對論的知識和背景光的彎曲來重建質量的時候發現它和星系一起,而不是內部聚集物質。因此暗物質必須存在。根據推理的標準,星系團以5:1的比例由暗物質和普通物質組成。當它們碰撞時,擴散的正常物質碰撞,粘在一起,變熱,而團塊(星系)和暗物質通過,形成所觀察的效果。

在MACS j0416.1 - 2403中,一個合併的星系團,從引力信號中分離出一種不同的x射線氣體,但這是意料之中的,因為這個星系團處於合併的不同階段,而且仍然存在偏移。圖片版權:X-ray: NASA/CXC/SAO/G.Ogrean et al.; Optical: NASA/STScI; Radio:

NRAO/AUI/NSF

但是,就像任何偉大的理論一樣,所有的可能都必須考慮。x射線不會說謊:在兩個分離的集群之間確實有很多問題,所以任何相反的觀點都必須被拋棄。在星團中存在著超緊湊、看不見的普通物質團,這一想法很有趣,但一組系統的觀察和分析表明,它還不足以解釋觀測到的效應。這是宇宙中唯一的一個星團的獨特之處,被大量的其他碰撞的星團所證明,並發現了同樣的效果。

四個相互碰撞的星系團,顯示x射線(粉紅色)和萬有引力(藍色)之間的分離,表示暗物質。圖片版權:X-ray: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Optical/Lensing: CFHT/UVic./A. Mahdavi et al. (top left); X-ray:

NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Optical: NASA/ STScI/UCDavis/ W.Dawson et al. (top right); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milano, Italy)/CFHTLS (bottom left); X-ray: NASA, ESA, CXC, M.

Bradac (University of California, Santa Barbara), and S. Allen (Stanford University) (bottom right)

也許,我們必須考慮一個有趣的可能:在適當的條件下,重力會表現出非局部的影響。這聽起來很瘋狂,但它是許多物理重要過程的標誌,如量子宇宙。最基本的觀點是引力的影響發生在不同的地方,而大部分的物質是。非局部引力理論在重塑重力理論的成功方面非常出色,例如星系的旋轉曲線。最近一篇論文利用引力波和伽瑪射線的限制,排除了一些變化的重力,它們沿著不同的路逕行進,其中一個「倖存者」是MOG:一個非局部效應的引力理論。(非本地的意思是它的影響並不完全位於污染源所在的地方。)

但是,儘管這是令人信服的,但它不可能是對的,而且它只需要一個思維實驗來理解為什麼。

由於微弱的引力透鏡效應,團簇和星系團對其背後的光和物質產生引力作用。這使我們能夠重建它們的質量分布,它應該與觀測的物質相一致。圖片版權:ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) and E. Ofek (Caltech)

想像一下,如果有兩個星系團,碰撞後會產生怎樣的效果?大部分的物質都位於碰撞發生的中心區域,但是大部分的引力作用都集中在其他地方。它要求重力和質量不能連在一起。事實上這是我們在星系群中看到的正常物質時所看到的——看到/追蹤氣體的地方,以及我們從引力透鏡中重建質量的地方,並不是完全一致的。

(a)從Massey et al .(2007a)的分析中,預測宇宙中暗物質的分布。這張藍色圖揭示了暗物質的密度,從哈勃太空望遠鏡觀測到的背景星系的微弱扭曲現象中推斷出了暗物質的密度。(b)用哈勃太空望遠鏡與x射線衛星xmm - newton結合在星系中的恆星質量的組合,揭示出重子物質的等值圖。圖片版權:R. Ellis, Philos

Trans A Math Phys Eng Sci. 2010 Mar 13; 368(1914): 967–987

要麼重力作用於非局部,要麼有一些看不見的質量形式——暗物質。但是有一個簡單的方法可以區分這兩個:簡單地看一下沒有在碰撞過程中的星系團,或者看看附近的兩個相互靠近的星團,但還沒有合併。如果暗物質是正確的解釋,引力透鏡信號應該追蹤物質分布,一切都應該是局部的。但如果非局部引力是答案,那麼引力效應就應該在物質不存在的地方。

有了這些數據,我們也就有了答案。

上圖的輪廓,顯示了星系群從引力透鏡中重建的質量,而點顯示觀測到的星系,顏色編碼了各種紅移。當星系團靜止時,沒有物質與引力的分離。圖片版權:H.S. Hwang et al., ApJ, 797, 2, 106

當星系團不受干擾時,引力效應就位於物質分布的地方。只有在碰撞或相互作用發生後,我們才會看到一個非局部的效應。這表明在碰撞過程中發生了一些事情,從看到的重力效應中分離出正常物質。添加暗物質使這項工作成為可能,但非局部引力會使前後預測不同,同時所觀察到的也不能同時匹配。

有趣的是,這個爭論已經持續了十多年,現在還沒有一個令人滿意的反駁來自於黑暗物質的反對者。這並不是「證明」暗物質存在的正常物質的位移,而是「位移只發生在暗物質和正常物質被天體物理過程分開的環境中」。這是一個必須解決的基本問題,如果要將替代暗物質作為完整理論的話。

知識:科學無國界,博科園-科學科普

作者:Ethan Siegel(天體物理學家)

來自:Forbes science

編譯:光量子

審校:博科園


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