哈勃新观测表明当前暗物质模型中存在差距

1933年，天文学家弗里茨·兹维基(Fritz Zwicky)在研究昏迷星系团时发现了一个问题。星系团中所有恒星的质量加起来只相当于防止成员星系脱离星系团引力控制所需重量的几%。他预言，缺失的物质，即现在所知的暗物质，是将星团粘合在一起的粘合剂。

暗物质，顾名思义，是看不见的物质。它不发射、吸收或反射光线，也不与任何已知粒子相互作用。只有通过它们对太空中可见物质的引力才能知道这些难以捉摸的粒子的存在。这种神秘的物质是我们宇宙的看不见的脚手架，形成了银河系形成的长丝状结构--宇宙网。

更令人困惑的是，暗物质构成了宇宙总质量的绝大部分。恒星、行星和人类组成的物质只占宇宙内容物的几个百分点。

天文学家几十年来一直在追寻这种幽灵般的物质，但仍然没有太多的答案。他们发明了巧妙的方法，通过追踪暗物质引力效应的迹象来推断暗物质的存在。

一种技术涉及测量大质量星系团中暗物质的引力如何放大和扭曲来自遥远背景星系的光线。这种现象被称为引力透镜，会产生遥远星系的模糊图像，有时还会产生单个图像的多个副本。

最近一项对11个大型星系团的研究发现，一些小尺度的暗物质块非常集中，它们产生的透镜效应比预期的要强10倍。这些浓度与单个星系团星系有关。

研究人员利用位于智利的哈勃太空望远镜和欧洲南方天文台的超大型望远镜，以前所未有的细节发现了像Matryoshka玩偶一样嵌套在每个星系团核心(最大质量星系所在的核心)的较大镜头扭曲中的遥远星系的较小尺度扭曲图像。

这一意想不到的发现意味着，在暗物质应该如何在星系团中分布的问题上，这些观测结果和理论模型之间存在差异。这可能标志着天文学家目前对暗物质本质的理解存在差距。

天文学家发现，我们的宇宙配方中可能缺少暗物质行为的成分。

他们发现了暗物质应该如何在星系团中分布的理论模型和暗物质对星系团的控制力的观测之间的差异。

暗物质不发射、吸收或反射光线。只有通过它对太空中可见物质的引力才能知道它的存在。因此，暗物质仍然像“爱丽丝梦游仙境”中的柴郡猫一样难以捉摸--在那里你只能看到它的笑容(以重力的形式)，而看不到动物本身。

天文学家探测暗物质的一种方法是通过测量其引力如何扭曲空间，这种效应被称为引力透镜。

研究人员发现，星系团中小范围的暗物质浓度会产生比预期强10倍的引力透镜效应。这一证据是基于美国宇航局的哈勃太空望远镜和位于智利的欧洲南方天文台的甚大望远镜(VLT)对几个大质量星系团进行的空前详细的观测得出的。

星系团是宇宙中最大的结构，由单个成员星系组成，是最大的暗物质储存库。它们不仅在很大程度上是由暗物质的引力结合在一起的，而且单个星系团本身也充满了暗物质。因此，星系团中的暗物质在大尺度和小尺度上都有分布。

这项研究的主要作者、意大利博洛尼亚天体物理和空间科学天文台的马西莫·梅内盖蒂说，星系团是理想的实验室，可以用来了解计算机模拟宇宙是否可靠地再现了我们对暗物质及其与发光物质的相互作用所能推断出的东西，这项研究的主要作者是意大利博洛尼亚的INAF(国家天体物理研究所)的马西莫·梅内盖蒂(Massimo Meneghetti)。该研究的主要作者是意大利博洛尼亚的INAF(国家天体物理研究所)，该研究的主要作者马西莫·梅内盖蒂说。

梅内盖蒂继续说，我们在比较这项研究中的模拟和数据时做了很多仔细的测试，我们发现的不匹配现象仍然存在。造成这种差异的一个可能的原因是，我们可能在模拟中遗漏了一些关键的物理因素。

该团队的资深理论家之一、康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的普里亚姆瓦达·纳塔拉扬(Priyamvada Natarajan)补充说，现实世界有一个特征，我们目前的理论模型根本没有捕捉到。这可能表明我们目前对暗物质的性质及其性质的理解存在差距，因为这些精巧的数据使我们能够在最小的尺度上探索暗物质的详细分布。

暗物质在星系团中的分布是通过光线的弯曲，或它们产生的引力透镜效应来绘制的。暗物质的引力放大和扭曲了来自遥远背景物体的光，就像一面游戏厅的镜子，产生了扭曲，有时还会产生同一遥远星系的多幅图像。暗物质在星系团中的浓度越高，其光线弯曲就越戏剧性。

哈勃望远镜清晰的图像，加上来自VLT的光谱，帮助该团队绘制了一张准确、高保真的暗物质图。他们识别了数十个多重成像的、透镜状的背景星系。通过测量透镜畸变，天文学家可以追踪暗物质的数量和分布。

分析中使用的三个关键星系团，MACS J1206.2-0847，MACS J0416.1-2403和Abell S1063，是两个哈勃调查的一部分：前沿场和利用哈勃进行的星团透镜和超新星调查(CLASH)计划。

令研究小组惊讶的是，哈勃望远镜的图像还显示了每个星系团核心(最大质量星系所在的地方)较大比例的透镜扭曲中嵌套的较小规模的弧线和扭曲的图像。

研究人员认为，嵌入的透镜是由与单个星系团相关的密集暗物质的重力产生的。众所周知，暗物质在单个星系内部区域的分布增强了星系团的整体透镜效应。

后续的光谱观测通过测量在几个星系团内运行的恒星的速度增加了这项研究。意大利费拉拉大学的团队成员皮耶罗·罗萨蒂说，基于我们的光谱研究，我们能够将这些星系与每个星系团联系起来，并估计它们的距离。

这些恒星的速度让我们估计了每个星系的质量，包括暗物质的数量，意大利博洛尼亚国际天体物理和空间科学天文台的研究小组成员皮埃特罗·贝加米尼补充道。

研究小组将暗物质图与质量相似的模拟星系团样本进行了比较，这些星系团位于与观测到的星系团大致相同的距离。计算机模拟中的星系团没有在最小的尺度上显示出相同水平的暗物质浓度-宇宙中看到的与单个星系团星系相关的尺度。

该团队期待着继续对标准暗物质模型进行压力测试，以确定其耐人寻味的本质。

美国宇航局计划中的南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜将通过大质量星系团的引力透镜探测到更多遥远的星系。这些观测将扩大天文学家可以分析的星团样本，以进一步测试暗物质模型。

哈勃太空望远镜是美国国家航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)的国际合作项目。美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理该望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所(STScI)进行哈勃科学操作。STSCI由华盛顿特区的大学天文学研究协会为NASA运营。

致谢单位：NASA、ESA、P.Natarajan(耶鲁大学)、M.Meneghetti(INAF-博洛尼亚天体物理和空间科学天文台)、P.Rosati(费拉拉大学)和Clash-VLT/缩放团队致谢：NASA、ESA、M.Postman(STScI)和Clash团队。

联系人：Donna Weaver/Ray Villard太空望远镜科学研究所，马里兰州巴尔的摩，410-338-4493/410-338-4514。

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