哈勃太空望遠鏡發現暗物質理論缺少了某些成分


暗物質不會吸收、發射和反射光線,而僅透過重力影響其他物質。暗物質群聚(又稱暗物質暈)形成宇宙結構的基礎,因其龐大重力吸聚氣體,促成星系形成。

遠方星系的光線會受前景星系團的重力影響產生偏折,因而呈現放大、扭曲或有多重的影像,此稱為重力透鏡效應(gravitational lensing)。透過觀測光線偏折的程度,可以回推前景星系團中的暗物質分佈­──質量越聚集則偏折越大。此外,由於暗物質在星系團中的分布具有不同尺度的結構,因此可以把重力影響疊加,看成大尺度(星系團)的透鏡上加小尺度(星系)的透鏡。

透過哈勃太空望遠鏡,科學家發現遠方星系因星系團的重力透鏡效應,呈現大尺度的彎曲弧形(arc)和拉長(elongate)的形狀。此外,又發現因星系重力進一步偏折,所造成的小尺度弧狀和扭曲影像〈如附圖〉。搭配甚大望遠鏡(Very Large Telescope)的光譜觀測,科學家得以決定星系內部恆星的速度,並估算個別星系的質量及距離。

為了和觀測結果比較,科學家先從電腦模擬中,找出質量、距離和形態皆類似觀測的星系團,並再計算其重力透鏡效應。藉此,科學家發現電腦模擬中星系尺度的重力透鏡效應,發生頻率遠較實際觀測到的低,顯示星系中的暗物質分布比理論預期更集中。此結果矛盾的可能解釋有兩個,其一是現有理論模擬仍然少了關鍵的物理機制,亦或是我們對暗物質的特性有不了解之處。美國太空總署的新一代羅曼太空望遠鏡(Nancy Grace Roman Space Telescope),將能提供更多的觀測資料來幫助了解該謎題。

【圖:美國太空總署;文:節錄自台北市立天文科學教育館網頁】 研究全文刊登在2020年9月11日出版的《科學》期刊

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