研究人员揭示了宇宙一部分不为人知的3-D图像———
过去,宇宙学家花了20年时间绘制了一张宇宙的图像,揭示的大量可见星系并不是随机排列,而是呈现出惊人的结构;现在,科学家正在探测的结构是宇宙中一种看不见的“暗物质”,正是暗物质的引力作用使星体凝聚到一起形成了星系,并使星系聚集成半径达数千万光年的星系团。
最近,宇宙学家第一次揭开了暗物质的大尺度图像。研究者认为,该图像对于人类理解星系如何演化,以及它们怎样使自身形成更大型的结构至关重要。
科学家首次绘制出宇宙暗物质三维数字地图
在外行看来,这张暗物质图像有些类似徒步旅行者的地形图。但在宇宙学家眼里,这个时间跨度约为半个宇宙年龄的3-D图像,为他们的关于大爆炸后的宇宙演化理论提供了独立的证据。
图像显示出,暗物质的“纤维”伴随着时间的增长,星系在这些暗物质纤维中形成;纤维穿梭交织的区域,积聚了大量的暗物质,最终形成了宇宙学家所能看到的星系团。
美国劳伦斯·伯克利国家实验室的天体物理学家埃里克·林德(Eric Linder)说,这些结果给出了关于神秘宇宙的一种令人振奋的新观点(大部分探测暗物质的尝试都涉及了单个星系或星系团)。这张新的图像覆盖了宇宙更广阔的区域;从地球上看,该区域的范围相当于天空被8个满月所覆盖。
自从75年前暗物质首次被提出,它就一直困扰着天文学家,没有人能够直接看到暗物质。因此,天文学家只能通过它施于其他天体的引力作用来推断它的存在。如果没有暗物质的引力作用,星系将会由自身的自转而分离;因为,星系中可见物质产生的引力不足以使它们维持在一起。
此外,对于暗物质的构成,虽然科学家提出了一些观点,但是没有人能真正确定它(在组成宇宙的元素清单上,暗物质占有很重要的地位)。天文学家估计,暗物质占整个宇宙中物质和能量的23%,而可见物质只占4%,剩下的约73%为暗能量。
由加州理工学院的理查德·梅西(Richard Massey)率领的小组收集了将近50万个星系的详细的图片。为了在如此大的范围内寻找暗物质,由天文学家组成的一绘图小组根据爱因斯坦的广义相对论,将引力作为透镜。因为这个理论有一个成功的预言:引力能使光线弯曲,类似于光穿过玻璃透镜时所发生的弯曲。
由于这种作用,暗物质的引力使观测到的星系形状发生了扭曲。由此,他们利用这种扭曲计算存在于观测星系和地球之间暗物质的质量,通过哈勃太空望远镜,他们花了近1000个小时绘制出了天空中575个交叠区域的图像;同时,天文学家利用地面望远镜和欧洲航天局的XMM-Newton轨道卫星上的X-射线望远镜,获得了单个星系和物质的后续信息。不久前,该小组将他们的结果公布在《自然》期刊网站上,并以简报形式出现在第209届美国天文学会的冬季会议上。
他们的数据覆盖了3个不同的时间间隔层,因此,天文学家通过这张图可以看到,随着时间的推移,暗物质如何通过改变自己的分布来改变可见物质的分布状态。
该小组成员尼克·斯科维尔(Nick Scoville)指出,某些早期的暗物质结构维持着星系,这些星系正集结形成星系团;而很多此类星系的年龄显示,星系形成于更小的恒星团。这将为暗物质提供一种解释:冷暗物质由质量远大于质子质量、且与正常物质只发生微弱相互作用的某种基本粒子组成,物理学家目前正从世界各地的粒子加速器中寻找它们的踪迹。
这张新图巩固了天文学家关于质能分布“和谐”的观点,这一观点是通过对可见宇宙的图像和大爆炸后留下的微波辐射图像的分析而提出的。
但是,这份数据也存在令人困惑的地方,林德说,图像显示了暗物质物质出现的某些区域,并没有普通物质相伴。这表明,那种暗物质作为大尺度结构和普通物质分布的骨架的观点在某些情况下将不成立。
他说:“对于星系的形成,也许我们的观点需要再作调整。”很明显,新的宇宙绘图法正使宇宙学的研究进入一个全新的时代。