天文学家揭示暗物质在星系演化中的作用

天文学家揭示暗物质在星系演化中的作用 星系图像，左侧为恒星部分，右侧（负片）为星系光环中的暗物质。资料来源：Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) / EAGLE 团队传统上对星系演化的观测研究主要集中在普通物质的作用上，尽管普通物质只占星系质量的很小一部分。几十年来，人们一直在理论上预测暗物质对星系演化的影响。然而，尽管做了很多努力，人们对此并没有达成明确的共识。现在，由IAC团队领导的研究首次通过观测证实了暗物质对星系演化的影响。暗物质对星系的影响显而易见，因为我们可以测量它，但暗物质对星系演化的影响是有人提出过的，尽管我们没有观测研究它的技术。为了研究暗物质的影响，研究小组集中研究了星系中恒星的质量与从其旋转中可以推断出的质量（称为总动力质量）之间的差异。研究结果表明，恒星的年龄、金属含量、形态、角动量和形成速度不仅取决于这些恒星的质量，还取决于总质量，这就意味着要把暗物质成分包括在内，而暗物质成分符合对光环质量的估计。"我们看到，在恒星质量相等的星系中，恒星群的表现会因星系光环中暗物质的多寡而不同，换句话说，星系从形成到现在的演化过程会因星系所处的光环而改变。"文章合著者之一、IAC 研究员伊格纳西奥-马丁-纳瓦罗（Ignacio Martín Navarro）补充说："如果星系所处的光环质量较大或较小，那么星系随时间的演化就会不同，这将反映在星系所含恒星的性质上。"今后，研究小组计划对距离银河系中心不同距离的恒星群进行测量，并证明恒星的特性对暗物质晕的依赖是否在所有半径范围内都保持不变。研究的下一步将是研究暗物质晕与宇宙大尺度结构之间的关系。这些暗物质光环并不是单独产生的，它们由细丝连接起来，构成了大尺度结构的一部分，被称为'宇宙网'。光环的质量似乎改变了星系的属性，但这可能是每个光环在宇宙网中所处位置的结果。在未来几年里，希望能够看到这种大尺度结构在我们所研究的范围内产生的影响。这项研究是基于卡拉阿托遗留整体场区（CALIFA）的260个星系进行的，卡拉阿托遗留整体场区是一个国际项目，在文章的另一位合著者赫苏斯-法尔孔-巴罗佐（Jesús Falcón Barroso）的协调下，IAC积极参与了该项目。他说："这项调查提供了光谱信息和前所未有的星系空间覆盖范围。我们对这些星系进行了高分辨率观测，获得了它们运动特性的详细测量数据，这使我们能够非常精确地研究恒星的运动，从而推断出星系的总质量。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

哈勃望远镜用最锐利的视角揭示光栅星系的尘埃和暗物质

哈勃望远镜用最锐利的视角揭示光栅星系的尘埃和暗物质 哈勃望远镜拍摄到的 NGC 4753 星系显示了复杂的尘埃结构和暗物质光环。这个星系是研究星系形成和测量宇宙距离的重要场所。NGC 4753 位于室女座，距离地球约 6000 万光年，由天文学家威廉-赫歇尔于 1784 年首次发现。它是室女座第二云中 NGC 4753 星系群的成员，该星系群由大约 100 个星系和星系团组成。这个星系据信是大约 13 亿年前与附近的一个矮星系合并的结果。NGC 4753星系核周围明显的尘埃通道据说就是这次合并过程中吸积形成的。现在人们相信，银河系中的大部分质量都存在于暗物质构成的略微扁平的球形光环中。暗物质是一种目前无法直接观测到的物质，但被认为占宇宙中所有物质的85%左右。它之所以被称为"暗物质"，是因为它似乎不与电磁场发生相互作用，因此似乎不会发射、反射或折射光线。由于这个天体的低密度环境和复杂结构，它对检验透镜状星系形成的不同理论也具有科学意义。此外，这个星系还是两个已知的 Ia 型超新星的宿主。这些类型的超新星极其重要，因为它们都是由白矮星爆炸引起的，而白矮星都有伴星，并且总是以相同的亮度达到峰值比太阳亮 50 亿倍。了解这些事件的真实亮度，并将其与表观亮度进行比较，为天文学家提供了一个测量宇宙距离的独特机会。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

最早的星系可能比以前认为的更小更亮 颠覆暗物质理论

最早的星系可能比以前认为的更小更亮 颠覆暗物质理论 在过去的一年半里，詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）拍摄到了宇宙大爆炸后不久形成的遥远星系的惊人图像，让科学家们第一次看到了宇宙的雏形。现在，一组天体物理学家提高了要求：找到时间起点附近最微小、最明亮的星系，否则科学家们将不得不彻底重新思考他们关于暗物质的理论。由加州大学洛杉矶分校天体物理学家领导的研究小组进行了模拟，追踪了宇宙大爆炸后小星系的形成过程，并首次将以前被忽视的气体与暗物质之间的相互作用纳入其中。他们发现，在不考虑这些相互作用的典型模拟中，所形成的星系非常微小、明亮得多，而且形成速度更快，反而显示出更暗的星系。矮星系在宇宙研究中的重要性小星系，也叫矮星系，遍布整个宇宙，通常被认为是最早的星系类型。因此，研究宇宙起源的科学家对小星系特别感兴趣。但是，他们发现的小星系并不总是和他们认为应该发现的星系一致。那些最靠近银河系的星系旋转得更快，或者密度没有模拟的那么高，这表明模型可能遗漏了一些东西，比如这些气体-暗物质的相互作用。发表在 《天体物理学杂志通讯》上的这项新研究通过加入暗物质与气体的相互作用改进了模拟，并发现这些暗星系在宇宙历史的早期可能比预期的要亮得多，当时它们刚刚开始形成。作者建议科学家利用韦伯望远镜等天文望远镜寻找比预期亮得多的小星系。如果他们只找到微弱的星系，那么他们关于暗物质的一些想法可能就是错误的。斯蒂芬五重奏（Stephan's Quintet）是由五个星系组成的视觉组合，由詹姆斯-韦伯太空望远镜提供的近千个独立图像文件合成。加州大学洛杉矶分校的天体物理学家认为，如果冷暗物质理论是正确的，韦伯望远镜应该能发现宇宙早期微小而明亮的星系。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI难以捉摸的暗物质本质暗物质是一种不与电磁或光相互作用的假想物质。因此，它无法用光学、电学或磁学进行观测。但暗物质确实与引力相互作用，人们从暗物质对普通物质构成所有可观测宇宙的物质的引力效应中推断出暗物质的存在。尽管宇宙中 84% 的物质被认为是由暗物质构成的，但它从未被直接探测到过。所有星系都被一圈巨大的暗物质光环所包围，科学家们认为暗物质对星系的形成至关重要。天体物理学家用来理解星系形成的"标准宇宙学模型"描述了宇宙早期的暗物质团块如何通过引力吸引普通物质，导致恒星的形成，并创造出我们今天看到的星系。由于大多数暗物质粒子（被称为冷暗物质）的运动速度被认为比光速慢得多，因此这一积累过程是逐渐发生的。了解星系形成的理论进展但是在130多亿年前，也就是第一批星系形成之前，由来自宇宙大爆炸的氢气和氦气组成的普通物质和暗物质在相对运动。气体以超音速流过移动速度较慢的暗物质的密集区，这些暗物质本应该把气体拉进来形成星系。"事实上，在不考虑流的模型中，这正是发生的情况，"加州大学洛杉矶分校博士生、论文第一作者克莱尔-威廉姆斯说。"气体被暗物质的引力吸引，形成密度大到可以发生氢聚变的团块和结块，从而形成像我们太阳这样的恒星。"但威廉姆斯和"超音速项目"团队的合著者（由加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授斯马达尔-纳奥兹领导的一组来自美国、意大利和日本的天体物理学家组成）发现，如果他们在模拟中加入暗物质和普通物质之间不同速度的流效应，气体就会落在远离暗物质的地方，无法立即形成恒星。数百万年后，当积累的气体落回星系时，恒星的形成就会同时爆发。由于这些星系在一段时间内比普通的小星系拥有更多年轻、炽热、发光的恒星，因此它们要亮得多。威廉姆斯说："虽然流星抑制了最小星系中恒星的形成，但它也促进了矮星系中恒星的形成，使它们比宇宙中没有流星的区域更加明亮。我们预测，韦伯望远镜将能够发现宇宙中因这种速度而变得更加明亮的星系区域。事实上，它们应该如此明亮，这可能会让望远镜更容易发现这些小星系，而这些星系通常在宇宙大爆炸后 3.75 亿年才极难被发现。"由于暗物质是无法直接研究的，因此在早期宇宙中寻找明亮的星系斑块可以为暗物质理论提供有效的检验，而这种检验迄今为止还没有结果。"在早期宇宙中发现成片的小而明亮的星系将证实我们的冷暗物质模型是正确的，因为只有两种物质之间的速度才能产生我们正在寻找的星系类型，"霍华德和阿斯特里德-普雷斯顿天体物理学教授诺兹说。"如果暗物质的行为不像标准的冷暗物质，不存在流效应，那么这些明亮的矮星系就不会被发现，我们就需要回到绘图板上去。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

暗物质动力学探索奇异的卫星星系“Crater II”

暗物质动力学探索奇异的卫星星系“Crater II” 加州大学河滨分校物理学和天文学教授于海波说："自2016年发现Crater II以来，人们曾多次尝试重现它的不寻常特性，但事实证明这非常具有挑战性。"他的团队在最近发表于《天体物理学期刊通讯》（TheAstrophysical Journal Letters）的一篇论文中对Crater II的起源做出了解释。卫星星系是一个较小的星系，它围绕着一个较大的主星系运行。暗物质占宇宙物质的85%，它可以在引力的作用下形成一个球形结构，称为暗物质晕。暗物质晕看不见摸不着，它渗透并包围着像Crater II这样的星系。Crater II极其寒冷，这表明它的光环密度很低。我们的银河系被大约 50 个矮星系包围着。这些星系中的大多数只能通过望远镜来识别，并以它们出现在天空中的星座来命名（例如天龙座、雕刻家座或狮子座）。不过，两个最明显的矮星系被称为大麦哲伦云（LMC）和小麦哲伦云（SMC），它们很容易被肉眼看到。资料来源：ESA/Gaia/DPACCrater II在银河系的潮汐场中演化，经历了与宿主星系的潮汐相互作用，类似于地球海洋因月球引力而经历潮汐力。理论上，潮汐相互作用可以降低暗物质晕的密度。然而，对Crater II环绕银河的轨道的最新测量结果表明，潮汐相互作用的强度太弱，不足以降低卫星星系的暗物质密度，从而与其测量结果保持一致如果暗物质是由冷的、无碰撞的粒子构成的，正如流行的冷暗物质理论（或称CDM）所预期的那样。另一个谜题是，当卫星星系在银河系的潮汐场中演化时，潮汐相互作用会缩小卫星星系的体积，因此Crater II怎么会有这么大的体积呢？于和他的团队引用了一种不同的理论来解释Crater II的特性和起源。该理论被称为"自相互作用暗物质"（self-interacting dark matter，简称SIDM），它可以令人信服地解释各种暗物质的分布。该理论认为，暗物质粒子通过暗力进行自我相互作用，在靠近星系中心的地方相互发生强烈碰撞。于说："我们的工作表明，SIDM可以解释Crater II的不寻常特性。关键的机制是暗物质的自我相互作用使Crater II的光环热化，并产生一个浅密度核心，也就是说，暗物质密度在小半径处是扁平的。相反，在CDM光环中，密度会向星系中心急剧增加。"在 SIDM 中，与Crater II轨道测量结果一致的相对较小的潮汐相互作用强度就足以降低Crater II的暗物质密度，这与观测结果是一致的。"重要的是，星系的大小在SIDM光环中也会扩大，这就解释了Crater II的巨大体积。暗物质粒子在有芯的SIDM光环中比在'脆弱'的CDM光环中结合得更松散。我们的工作表明，SIDM比CDM更能解释Crater II的起源。"编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

天体物理学家利用模型准确预测了观测到的M87黑洞喷流的形态

天体物理学家利用模型准确预测了观测到的M87黑洞喷流的形态 自从发现喷流以来，包括诺贝尔奖获得者罗杰-彭罗斯爵士在内的许多学者都在研究这些神秘现象的形成。目前，有两种主要模型试图解释喷流的形成："BZ-喷流模型"是以研究人员布兰福德和兹纳杰克的名字命名的，也是目前最有影响力的模型，它认为喷流是通过与黑洞事件视界相连的磁场线从黑洞中提取自旋能量而形成的。与此相反，第二种模型认为喷流是通过从黑洞的吸积盘中提取旋转能量形成的。后者是在黑洞强大引力作用下围绕黑洞旋转的电离气体的集合。第二种模型可以被称为"圆盘-喷流模型"。尽管其他研究人员已经使用 BZ 射流模型模拟了广义相对论准直外流，实际上也就是射流，但还不清楚 BZ 射流模型能否解释观测到的实际射流的形态，包括其拉长的结构、宽度和边缘增亮（即射流边缘附近亮度增加）。为了研究这两个模型的有效性，中国科学院上海天文台袁峰博士领导的一个国际研究小组计算了这两个模型分别预测的位于室女座巨型星系Messier 87（M87）中心的超大质量黑洞的喷流。研究小组随后将计算结果与对M87喷流的实际观测结果进行了比较，后者被记录在事件地平线望远镜（EHT）首次捕捉到的黑洞图像中。研究小组的研究表明，BZ-喷流模型准确地预测了观测到的M87喷流的形态，而圆盘-喷流模型则难以解释观测结果。该研究发表在《科学进展》（Science Advances）上。模型预测图像与观测图像的对比研究小组首先采用了三维广义相对论磁流体力学（GRMHD）模拟来再现M87喷流的结构。为了计算模拟喷流的辐射并将辐射与观测结果进行比较，辐射电子的能谱和空间分布至关重要。研究小组假设电子加速是通过"磁重联"发生的，即磁能转化为动能、热能和粒子加速的过程。根据这一假设，研究小组结合粒子加速研究的结果，利用动力学理论求解了稳态电子能量分布方程。然后，研究小组获得了模拟射流不同区域的电子能量谱和数量密度。在距离核心的三个距离上，由基准模型预测的边缘增亮（实线）及其与观测数据的比较（虚线）将这些信息与吸积模拟（包括磁场强度、气体等离子体温度和速度）相结合，研究小组获得了可以与实际观测结果进行比较的结果。结果显示，BZ-喷流模型预测的喷流形态与观测到的M87喷流形态非常吻合，包括喷流宽度、长度、边缘增亮特征和速度。相比之下，盘状喷流模型的预测结果与观测结果不一致。此外，研究小组还分析了磁再连接过程，发现它是由于M87黑洞吸积盘中的磁场产生的磁爆发造成的。这些爆发对磁场造成了强烈的扰动，这种扰动可以传播很远的距离，从而导致喷流中的磁重联。这项工作弥合了喷流形成动态模型与各种观测到的喷流特性之间的差距，首次证明 BZ 喷射模型解决了喷流的能量问题，也解释了其他观测结果。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新研究揭示了星系簇和星系团之间比以前所理解的更深的区别

新研究揭示了星系簇和星系团之间比以前所理解的更深的区别 天文学家们普遍认为，星系团和星系簇的区别主要在于它们所包含的星系数量星系团中的星系数量较少，而星系簇中的星系数量较多。塔尔图大学塔尔图天文台（Tartu Observatory of the University of Tartu）的天文学家们在马雷特-艾纳斯托（Maret Einasto）的带领下决定对此进行研究，并发现了星系群和星系团之间的更多差异。宇宙的结构可以被描述成一个巨大的网络，一个宇宙网，由单个星系链（丝状）和小星系群连接着丰富的星系群和星系团，这些星系群和星系团可以包含成千上万个星系。星系系统之间有巨大的空隙，空隙中几乎看不到任何物质（星系和气体）。星系团和星系簇又可以形成更大的星系系统，称为超星系团。研究目标和方法在研究中，塔尔图天文学家使用了有关星系团、星系团中最亮的星系（即所谓的主星系）及其周围环境的数据。研究的目的是将这些数据结合起来，观察能否为不同大小的星系群的可能分类提供新的信息。研究结果表明，星系群和星系团可以分为两类，它们的性质截然不同。在富星系团和贫星系团中，影响星系团和星系簇中主要星系形成和演化的物理过程是不同的。在这项工作中，研究人员用两种不同的方式描述了星系团的环境。首先，他们用一般密度场来描述宇宙网，超星系团是最大的高密度区域，而空洞则是低密度区域。其次，他们计算了每个星系群与最近的丝轴的距离。这个距离显示了星系群是在丝状轴中，还是离丝状轴很近或很远。每个彩色圆圈代表一个星系群或星系团。最富集的星系团用红色标出；它们是大力神超星系团和狮子座超星系团中最富集的星系团。侧面板显示的是这些星系团中最亮的星系，这些星系来自斯隆数字数据库。黄色、绿色和蓝色圆圈代表从最亮到最暗的星系团。资料来源：Maret Einasto研究人员将星系群的主星系分为没有活跃恒星形成的星系（这些星系主要为红色）和目前恒星形成活跃的星系（年轻恒星使这些星系呈现蓝色）。不过，他们也在星系群的主星系中发现了红色恒星形成星系。亮度、位置和属性通过比较不同光度（或丰富度）星团中主星系的性质，发现星团主要分为两类高光度星团和星团，其中几乎所有的主星系都是不形成恒星的红色星系；低光度贫乏星团，其中的主星系除了不形成恒星的星系外，还可能有形成恒星的蓝色或红色星系。星系群和星系团之间的差异并不局限于光度每个样本都可以根据一个特征分成两个。此外，研究还发现，高亮度星系团和星系簇都位于高密度区域的丝状结构中。所有最亮和最丰富的星系团都位于超星系团的丝状结构中。与此相反，低亮度星系团和单个星系在宇宙网中随处可见，包括在低密度区域在空隙中，位于稀疏的丝状结构中，甚至远离丝状结构。有趣的是，在超星系团中，具有相同数量成员的低亮度星系团的亮度要比超星系团之外的星系团高得多。研究表明，富星系群中不再有恒星形成的主星系与有活跃恒星形成的主星系的星系群的动力学特性也有所不同。在前者中，主星系大多位于星系群或星团中心，而恒星形成中的主星系可能距离星系群中心相当遥远。天文学家发现，以往研究中已知的主星系恒星速度散度与星系群速度散度之间的关系，在星团非常丰富的情况下并不成立，尤其是在主星系不形成恒星的星团中。描述宇宙结构的特性及其如何形成和演化是宇宙学的基本任务之一。这些结果扩展了我们对星系团和星系簇及其主星系在宇宙网络中的形成和演化的认识。富星系团只能在物质总密度足够高、恒星形成所需的气体充足的区域形成。在这样的区域里，富星系团可以被其他（同样富裕的）星系团和星系群联合起来。在低密度区域（目前的空白区域），只能形成相当贫乏的星团，它们之间的距离相当远，因此很少有合并的情况。研究结果还表明，在富星系群和贫星系群中，影响星系群和星团中主星系形成和演化的物理过程是不同的。单个星系和小星系团中主星系的演化主要受其暗物质晕内部和周围过程的影响；其他星系和更遥远环境（星系团合并等）的影响主要在富星系团中很重要。我们的研究还强调了星系超星系团作为星系和星系系统形成和演化的独特环境的重要性。在研究星系和星系群方面，工作组下一步将利用新的观测数据，包括非常暗的星系数据。塔尔图天文台参与了许多这样的观测计划。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：