[暗物质]一个新发现，星系间居然存在着桥梁，足以证明暗物质的真实性

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想象一个你所能想象的最大的宇宙大碰撞。以我们所知的最大的引力约束结构为例，巨大的星系团可能包含数千个银河系大小的星系，它们相互吸引、碰撞并融合。当其内部充满了星系、恒星、气体、尘埃、黑洞、暗物质等各种物质时暗物质，就注定了其中不仅有火焰，可能还有不会出现在宇宙其它地方的新天体物理现象。
这些星团中的气体可以加热、相互作用并产生撞击，从而产生惊人的高能辐射。暗物质可以穿过除它本身以外的一切物质，只有其重力效应能够使它与大部分正常物质分开。而且，理论上，带电粒子可以极大地加速，产生跨越数百万光年的相干磁场。这是第一次在两个碰撞星团之间发现这样一座星系桥梁，这对我们的宇宙有着巨大的影响。



图解：这张钱德拉太空望远镜的图像显示了星系团MACSJ0717的大范围视图，其中的白框显示了可以用钱德拉和哈勃太空望远镜（HST）合成图像的视野；绿线显示了引导进入这个星系团的大尺度丝状物的大致位置，表明了存在于我们宇宙之中巨大的宇宙网与星系团之间的联系。（NASA/CXC/IFA/C.MA等人）
在我们的宇宙中，天文结构并不都是被平等创造出来的。行星与恒星对比起来相形见绌，而恒星本身的规模又远远小于太阳系。要组成一个像银河系一样的大星系，需要数千亿个的这样的星系集合而成，而星系群和星系团又可能包含数千个银河系大小的星系。这些巨大的星系团可以在最大的尺度上相互碰撞合并。
早在2004年，就有两组关于一对邻近星系团1E 0657–558（通常被称为子弹星团）的观测。仅从一张光学图像中，就能清楚地识别由密集星系群形成的两个独立的星系团。



图解：子弹星系团是两个碰撞星系团之间存在着关键效应，能被观测到的第一个经典例子。在光学图上，可以清楚地分辨出两个邻近星系团（左和右）的存在。(NASA/STSCI; MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE ET AL.)



你还有两件事情可以用来梳理，以得到一些其它关于这个系统中发生了什么的信息。首先，你可以做一个物理上有趣的测量，先观察你能在图像中看到的所有星系的光，然后辨别出哪些星系位于星系团的后面（背景星系），哪些星系位于星系团的前面（前景星系）。
当你观察前景星系时，它们的方向应该是任意随机的：它们应该是圆形、椭圆形或盘状的，没有平均扭曲来使它们倾斜向任何特定的方向。但是如果光前面有一个大质量的物体，那么根据引力透镜效应，它应该会扭曲背景图像。至少从这种角度，背景星系和前景星系在形状上的数据差异，可以告诉我们太空中的不同位置存在多少质量的信息。



图解：无论是恒星、星系还是星系团，任何背景点光线的形成都会由于前景质量的影响而被弱引力透镜所扭曲。即使有随机形状的干扰，特征也是显而易见的。通过研究前景（未扭曲）和背景（扭曲的）星系之间的差异，我们可以重建宇宙中像星系团一样的大质量延伸物体的质量分布。（维基共享资源用户TALLJIMBO）
你可以做的第二件事是在太空中使用先进的X射线天文台，用X射线观察天空中完全相同的区域。美国宇航局的钱德拉X射线天文台就能够实现这样的的观测。钱德拉的发现令人惊喜：可以看到两个巨大的气体团各自随着它的星系团移动。正如预期的那样，大量的气体不仅与单独的星系有关系，而且与星系团整体都有关系。
但令人意想不到的是，占整个星团13-15%质量的气体与引力效应竟无法匹配！不知何故，正常物质和引力效应被割裂了，就好像整个质量直接穿过一样。这一结果被认为是暗物质存在的压倒性的天体物理证据。



图解：引力透镜效应的图（蓝色）叠加在子弹状星系团光学和X射线数据上（粉红色）。X射线位置的不匹配和由此可以推断得出的质量存在是无法否定的。（X射线：NASA/CXC/CFA/M.MARKEVITCH等人；透镜图：美国宇航局/地图/ ESO STScI）；ESO WFI;MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE等人；光学：NASA/STSCI;MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE等人。）
自那以后，十多个类似这种两个星系群或星团相互碰撞的情况陆续被发现，并且每一个都展现了同样的结果。在碰撞之前，如果一个星系团发出x射线，这些x射线与星系团本身有关，任何引力畸变都与星系和气体的位置一致。
但是在一次碰撞之后，释放x射线的气体与物质发生了偏移，这意味着同样的物理原理在起作用。当星系团相互碰撞时:



在每个星系团中只占很小的体积的星系会直接穿过去，而星团内部气体相互作用并升温，发出x射线并减慢速度。而暗物质，像一个巨大的光环存在于每个星系群周围，也可以直接穿过，且只受引力的影响。在我们观察到的每一个碰撞星系群和星团中，x射线气体和整体物质的分离都是相同的。



图解：不同碰撞星系团的x射线图(粉红色)和总体物质图(蓝色)显示了正常物质和引力效应之间的清晰分离，这是暗物质存在的最有力证据之一。虽然我们进行的一些模拟表明，一些星团的移动速度可能比预期的要快，但模拟中仅包括引力，对气体来说其他因素的影响可能也很重要。(X-RAY: NASA/CXC/ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SWITZERLAND/D.HARVEY NASA/CXC/DURHAM UNIV/R.MASSEY; OPTICAL/LENSING MAP: NASA, ESA, D. HARVEY (ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SWITZERLAND) AND R. MASSEY (DURHAM UNIVERSITY, UK))
你可能会认为，在如此众多的独立系统中得到的这种暗物质的经验证明会动摇任何合理的怀疑论者。为了解释引力透镜信号与物质存在之间的不一致，科学家们设想了另一种引力理论，假设存在一种会抵消物质引力的非局域效应。但是，任何一种对特定排列的碰撞星系有效的理论都无法解释该星系团在碰撞前的状态。15年后，替代理论仍然无法同时解释这两种情况。

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但是一个存在暗物质的宇宙担负有很高的举证责任:它必须能够解释观察到的这些星系团的每一个特性。许多碰撞星群和星团都有一个由富含暗物质的宇宙预测的速度，而最初的例子—子弹星团运动速度特别地快。



图解：无论在大尺度还是小尺度上，宇宙结构的形成都高度依赖于暗物质和正常物质的相互作用。尽管已经有关于暗物质的间接证据，我们还是希望能够直接探测到它，而这只有在正常物质和暗物质之间的横截面非零的情况下才会发生。而像星系团和更大尺度的暗条这类结构的产生都是无可争议的。(ILLUSTRIS COLLABORATION / ILLUSTRIS SIMULATION)
当你知道宇宙的成分和控制宇宙的物理定律时，你就可以通过模拟来预测会出现什么类型的大规模结构。当我们的模拟只考虑引力时，我们预测的最快的碰撞星系团的运动速度比子弹星系团慢；而在我们的宇宙中存在一个类似例子的可能性不到百万分之一。
当我们联想到宇宙这样古怪的几率时，我们需要一个解释。虽然宇宙所展示的情形可能只是因为我们的宇宙是一个彩票赢家，但这个观察仍然提出了一个合理的问题。要么是观测结果有误，要么是其它原因，可能是某种物理机制，导致这种正常物质的加速超过了引力效应本身所能带来的速度。



图解：半人马座A星系是一个距离地球最近的活跃星系例子，它的高能喷流是由围绕中心黑洞的电磁加速度引起的。如果两个碰撞星系团之间能够存在大规模的电磁场，那么它们就有可能产生比引力本身所允许的更大的粒子速度。(NASA/CXC/CFA/R.KRAFT 等)
一种可能性是大规模的电场或磁场。当带电粒子(如质子和电子，它们帮助构成了宇宙中的正常物质)遇到电磁场时会加速。虽然星系团通常形成于宇宙细丝的交汇处，并由暗物质驱动，但也有正常物质存在，其中大部分以电离等离子体的形式存在。
运动中的带电粒子一定会产生磁场。当物体落入星系团时，就会产生磁场和相对论的、快速运动的粒子，比如电子。当电子在磁场中快速运动时，它们会产生一种称为同步辐射的特殊辐射。如果科学家能观察到波长相符的光，就可以发现这种辐射。



图解：碰撞星系团Abell399和Abell401的全尺寸图像显示了X射线数据（红色）、普朗克微波数据（黄色）和LOFAR无线电数据（蓝色）。单个星系团清晰可辨，但一个由长达1000万光年的磁场连接的相对论电子无线电射电桥是令人难以置信的耀眼。（M. MURGIA / INAF, BASED ON F. GOVONI 等人, 2019年, 科学杂志）
在2019年6月7日发表在《科学》杂志上的一项研究中，科学家们首次使用罗瓦尔（Lofar）射电望远镜在一对碰撞星系团中精确地发现了这种效应。费德里卡·戈沃尼和她的同事们利用罗瓦尔观测了星系团Abell0399和Abell0401之间的区域，并探测到了它们之间延伸的低频无线电辐射脊。
这种辐射表明，既有连接两个星团的磁场存在，也有一组将它们连接在一起的横跨宇宙细丝相对论电子群的存在。这两个星系团在太空中相距约1000万光年，这将使这个磁场和它周围的电子成为宇宙中已知的最大的这类结构之一。



图解：根据普朗克卫星拍摄的图像(黄色)，连接Abell 399和Abell 401的热气体桥早在2012年就被发现。这是对跨越了星系空间暗物质，连接两个星系团的热气体桥的首次确凿发现。现在人们认为它在子弹星系团以及整个星系和星系团的形成中发挥着重要作用。(ESA/PLANCK COLLABORATION / STSCI/DSS）
这个射电脊比大多数简单的模拟预测更大，但这对暗物质理论来说是一件好事情。对于我们观察到的一些碰撞星团来说，最大的谜题是解释这些粒子为什么能够加速到如此高的速度。同时，这两个星系团之间巨大的磁场和电子桥表明了一种可以重新加速星系间气体中存在粒子的机制:撞击时产生的冲击波。
戈沃尼和她的同事们进行的正是这种模拟。她的团队展示了位于星系团之间已经在以接近光速移动的电子会因为冲击波而重新加速。如果我们把这一发现应用到子弹星系团上，我们可以理所当然地认为，如果我们观察那些发射了x射线的气体，我们同时也应该会发现冲击波。



图解：子弹星系团的x射线观测，由钱德拉x射线天文台拍摄。注意图片的白色部分，它显示了被加热到十分高温的气体，而这需要一个冲击波来解释。（NASA/CXC/CFA/M.MARKEVITCH等人，摘自MAXIM MARKEVITCH (SAO)）
你瞧，如果你亲眼看到子弹星团的钱德拉图像，你首先会注意到这些震动！我们在一对相互碰撞的星团中发现了存在大规模磁场的相对论性带电粒子，这一事实有力地表明了在其它星团中也存在同样的效应。如果同样的结构既存在于Abell 0399和Abell 0401之间，又存在于其它碰撞星团之间，那么它就可以解决子弹状星团的这一微小异常，使暗物质成为导致引力效应与正常物质存在不匹配的、唯一的、无可争议的解释。
每发现一种新现象时都意味着一个巨大的进步。然而，通过结合理论、模拟和对其他碰撞星系团的观察，我们在了解宇宙这个整体上又前进了一步。这是暗物质的又一个惊人的胜利，也是宇宙中又一个最终可能会被现代天体物理学所解开的谜。这是一个多么美好的时代啊。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3.medium-流星魂- Dora冰
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