引力透镜以前所未有的细节揭示暗物质的细微结构

引力透镜以前所未有的细节揭示暗物质的细微结构透镜系统MGJ0414+0534中的暗物质波动。蓝白色代表ALMA观测到的引力透镜图像。暗物质的计算分布以橙色显示；较亮区域表示暗物质浓度较高，暗橙色区域表示浓度较低。资料来源：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO),K.T.Inoueetal.新研究以前所未有的细节揭示了暗物质的分布，最小尺度为30000光年。观测到的分布波动为暗物质的性质提供了更好的约束。神秘的暗物质占宇宙物质的大部分。暗物质是不可见的，只有通过引力效应才能让人们知道它的存在。暗物质从未在实验室中被分离出来，因此研究人员必须依靠"自然实验"来研究它。引力透镜是自然实验的一种。有时，由于随机的机缘巧合，从地球上看，宇宙中距离不同的两个物体会位于同一条视线上。当这种情况发生时，前景天体周围的物质所造成的空间曲率就像透镜一样，使背景天体的光线路径发生弯曲，从而形成透镜图像。然而，在自然实验中很难达到探测质量小于星系的暗物质团块的高分辨率，因此暗物质的确切性质一直没有得到很好的证实。引力透镜系统MGJ0414+0534的概念图。与透镜星系相关的暗物质显示为淡蓝色和白色。星系际空间的暗物质用橙色表示。实线表示受引力弯曲的无线电波的实际路径。虚线表示透镜图像的明显观测位置。图片来源：NAOJ,K.T.Inoue由日本景代大学教授KaikiTaroInoue领导的日本研究小组利用ALMA（阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列）研究了金牛座方向上被称为MGJ0414+0534的引力透镜系统。在这个系统中，由于大质量星系对光线的引力作用，前景天体形成的背景天体图像不是一个，而是四个。借助弯曲效应和新的数据分析方法，研究小组能够以前所未有的高分辨率探测到暗物质沿视线分布的波动，最小尺度可达3万光年。家观测到的暗物质分布所提供的新约束条件与缓慢移动或"冷"暗物质粒子的模型是一致的。未来，研究小组计划通过更多的观测来进一步制约暗物质的性质。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397475.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397475.htm

远古类星体和大规模暗物质晕揭示黑洞的秘密

远古类星体和大规模暗物质晕揭示黑洞的秘密东京大学的一个研究小组发现，在整个宇宙历史中，类星体受周围暗物质晕的影响，具有一致的激活模式。这项研究为我们深入了解黑洞的形成、成长以及宇宙更广泛的演化提供了新的视角。包括东京大学科学家在内的一个研究小组首次调查了数百个古老的类星体，发现这种行为在整个历史中都非常一致。这令人惊讶，因为许多大尺度过程在宇宙的整个生命过程中都会出现变化，因此类星体的激活机制可能会对整个宇宙的演化产生影响。纵轴表示类星体周围暗物质晕的质量，类星体是具有活动核心的星系。横轴显示了宇宙的年龄，左侧为现在。鉴于宇宙的许多特性在这些时间尺度上都会发生变化，类星体对应的暗物质晕质量保持稳定令人惊讶。图片来源：©2023Aritaetal.测量暗物质晕测量暗物质光环的质量并不容易；它是一种著名的难以捉摸的物质，如果用"物质"这个词来形容也不为过，因为暗物质的实际性质尚不清楚。我们之所以知道它的存在，只是因为它对星系等大型结构的引力影响。因此，暗物质只能通过观察它对事物的引力影响来测量。这包括暗物质拉扯或影响物体运动的方式，或者通过暗物质疑似区域背后物体的透镜效应（光的弯曲）。在距离较远的情况下，这一挑战会变得更大，因为来自更遥远、更古老现象的光线可能会非常微弱。但这并没有阻止天文学系的柏川信成教授和他的团队试图回答天文学中一个长期存在的问题：黑洞是如何诞生的，又是如何成长的？研究人员尤其热衷于探索与超大质量黑洞有关的问题，超大质量黑洞是最大的一种黑洞，存在于每个星系的中心。如果不是因为有些超大质量黑洞的质量如此之大，它们开始喷射出无比强大的物质射流或辐射球，在这两种情况下，它们就变成了我们所说的类星体，那么对它们的研究就会非常困难。这些类星体非常强大，即使在很远的地方，我们现在也能用现代技术观测到它们。首席研究员有田淳也和共同研究员武田义弘在日本国家天文台控制室进行观测。图片来源：©2023NobunariKashikawaCC-BY研究结果和意义柏川说："我们首次测量了大约130亿年前宇宙中围绕着活动黑洞的暗物质晕的典型质量。我们发现类星体的DMH质量非常稳定，大约是太阳质量的10万亿倍。我们已经对类星体周围较新的DMH进行了测量，这些测量结果与我们看到的较古老类星体的测量结果惊人地相似。这很有趣，因为它表明有一种特征性的DMH质量似乎能激活类星体，无论它发生在数十亿年前还是现在。"距离很远的类星体看起来很微弱，因为很久以前离开它们的光线已经散开，被中间的物质吸收，并由于宇宙的长期膨胀而被拉伸成几乎看不见的红外线波长。因此，桥川和他的团队从2016年开始，利用多种不同的仪器对天空进行勘测，其中最主要的是位于美国夏威夷州的日本斯巴鲁望远镜。柏川说："升级后的斯巴鲁望远镜比以往看得更远，但我们可以通过扩大国际观测项目学到更多东西。美国的维拉-C-鲁宾天文台，甚至欧盟今年发射的太空欧几里德卫星，都将扫描更大范围的天空，发现更多类星体周围的DMH。我们可以更全面地了解星系与超大质量黑洞之间的关系。这可能有助于我们了解黑洞是如何形成和成长的"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383439.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1383439.htm

隐藏的宇宙主干：ALMA揭示暗物质在3万光年尺度上的精细指纹

隐藏的宇宙主干：ALMA揭示暗物质在3万光年尺度上的精细指纹神代大学（日本大阪）的井上海纪太郎教授领导的研究小组利用位于智利共和国的世界上最强大的射电干涉仪--阿塔卡马大毫米波/亚毫米波阵列（ALMA），发现了宇宙中暗物质分布的波动，其尺度小于大质量星系。这是首次在3万光年的尺度上探测到远宇宙中暗物质的空间波动。这一结果表明，即使在比大质量星系更小的尺度上，冷暗物质也会存在，这也是朝着了解暗物质真正性质迈出的重要一步。文章将发表在《天体物理学报》上。暗物质波动透镜系统MGJ0414+0534探测到的暗物质波动。较亮的橙色表示暗物质密度较高的区域，较暗的橙色表示暗物质密度较低的区域。白色和蓝色代表ALMA观测到的引力透镜天体。资料来源：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO),K.T.Inoueetal.暗物质是一种不可见的物质，占宇宙质量的很大一部分，被认为在恒星和星系等结构的形成过程中发挥了重要作用。由于暗物质不是均匀地分布在空间中，而是呈团块状分布，它的引力会轻微改变来自遥远光源的光（包括无线电波）的路径。对这种效应（引力透镜）的观测表明，暗物质与相对大质量的星系和星系团有关，但它在较小尺度上的分布情况尚不清楚。研究小组决定利用ALMA观测一个距离地球110亿光年的天体。这个天体是一颗透镜类星体MGJ0414+0534[4]（以下简称"这颗类星体"）。由于前景星系的引力透镜效应，这个类星体看起来是四重图像。然而，这些表观图像的位置和形状都偏离了仅仅根据前景星系的引力透镜效应计算得出的结果，这表明在比大质量星系更小的尺度上暗物质分布的引力透镜效应在起作用。引力透镜系统MGJ0414+0534的概念图。图像中心的物体表示透镜星系。橙色表示星系际空间中的暗物质，淡黄色表示透镜星系中的暗物质。图片来源：NAOJ,K.T.Inoue研究发现，即使在远低于宇宙尺度（数百亿光年）的约3万光年尺度上，暗物质密度也存在空间波动。这一结果与冷暗物质的理论预言一致，即暗物质团块不仅存在于星系内部（图2中的淡黄色），也存在于星系际空间（图2中的橙色）。这项研究中发现的暗物质团块所产生的引力透镜效应非常小，以至于很难单独探测到它们。然而，由于前景星系引起的引力透镜效应和ALMA的高分辨率，我们首次探测到了这种效应。因此，这项研究是验证暗物质理论和阐明其真实性质的重要一步。这项研究发表在K.T.Inoue等人在《天体物理学报》上发表的论文"ALMAMeasurementof10kpc-scaleLensingPowerSpectratowardtheLensedQuasarMGJ0414+0534"中。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396561.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396561.htm

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NGC4753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。NGC4753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NGC4753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。NGC4753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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430698.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430698.htm

南极突破性研究让暗物质成为焦点

南极突破性研究让暗物质成为焦点这台望远镜位于美国国家科学基金会的阿蒙森-斯科特南极站，2017年接收了一台名为SPT-3G的新相机。SPT-3G配备了16000个探测器，是其前身的10倍，是阿贡国家实验室部分领导的多机构研究的核心。其目标是测量被称为宇宙微波背景的微弱光线。宇宙微波背景是宇宙大爆炸的余辉，当时宇宙从近140亿年前的一个能量点爆发出来。宇宙微波背景是宇宙中最古老的光，它穿越了遥远的距离才到达我们身边。在其漫长的旅程中，来自巨大宇宙结构的引力使其轨迹发生弯曲，然后被南极望远镜捕捉到。图片来源：ZhaodiPan/阿尔贡国家实验室"CMB是宇宙学家的藏宝图，"论文的第一作者、阿贡的玛丽亚-戈珀特-迈尔研究员潘昭迪说。它微乎其微的温度和偏振变化为我们提供了一个了解宇宙雏形的独特窗口。这篇发表在《物理评论D》上的论文首次提供了来自SPT-3G的CMB引力透镜测量结果。当宇宙中巨大的物质网扭曲穿越空间的CMB时，就会发生引力透镜现象。如果你把一个酒杯的弧形底座放在书页上，酒杯就会扭曲你的视线，让你看不清后面的文字。同样，望远镜视线中的物质会形成一个透镜，使CMB光和我们的视线发生弯曲。爱因斯坦在他的广义相对论中描述了这种时空结构的扭曲。对这种扭曲的测量提供了有关早期宇宙和暗物质等奥秘的线索，暗物质是宇宙的一种不可见成分。暗物质很难探测，因为它不与光或其他形式的电磁辐射相互作用。目前，我们只能通过引力相互作用来观测它。自20世纪60年代发现CMB以来，科学家们一直在研究它，通过地面和太空望远镜对其进行观测。尽管最新的分析只使用了2018年几个月的SPT-3G数据，但引力透镜的测量已经在该领域具有竞争力。"这项研究真正令人兴奋的部分之一是，其结果来自于我们刚刚开始使用SPT-3G进行观测时的调试数据--结果已经很棒了，"论文共同作者、阿贡物理学家艾米-本德（AmyBender）说。我们还有五年的数据正在进行分析，所以这只是预示着未来的发展。南极望远镜干燥、稳定的大气层和偏远的地理位置在寻找CMB模式时尽可能减少干扰。尽管如此，来自高灵敏度SPT-3G相机的数据仍然包含来自大气层以及银河系和河外星系的污染。由于研究人员需要验证数据、过滤噪声和解释测量结果，因此即使分析SPT-3G几个月的数据也是一项持续数年的工作。研究小组利用阿贡实验室计算资源中心的一个专用集群（一组计算机）来运行研究中的一些计算。潘说："我们发现，这项研究中观测到的透镜模式可以很好地用广义相对论来解释。这表明我们目前对引力的理解在这些大尺度上是正确的。这些结果还加强了我们对宇宙中物质结构如何形成的现有理解。"SPT-3G从更多年的数据中获得的透镜图也将有助于探测宇宙膨胀，即早期宇宙经历了快速指数膨胀的观点。宇宙膨胀是"宇宙学的另一块基石"，科学家们正在寻找早期引力波的迹象以及这一理论的其他直接证据。引力透镜的存在会对宇宙膨胀的印记产生干扰，因此有必要消除这种污染，而这种污染可以通过精确的透镜测量来计算。新的SPT-3G数据中的一些结果将巩固现有的知识，而另一些结果则会提出新的问题。"每当我们增加更多的数据，我们就会发现更多我们不了解的东西，"在芝加哥大学联合任职的本德说。"当你一层层剥开这层洋葱时，你会越来越了解你的仪器，也会越来越了解你对天空的科学测量。"潘说，人们对宇宙中看不见的成分知之甚少，因此任何了解都至关重要："我们对暗物质的分布了解得越多，就越接近于理解它的性质及其在形成我们今天所生活的宇宙中的作用。"编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418965.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418965.htm

HYPER（HighlY Interactive ParticlE Relics） - 暗物质的新模型

HYPER（HighlYInteractiveParticlERelics）-暗物质的新模型一个研究小组--密歇根大学的RobertMcGehee和AaronPierce以及德国美因茨约翰内斯古腾堡大学的GillyElor--现在提出了一个新的暗物质候选模型：HYPER，即"HighlYInteractiveParticlERelics"。在HYPER模型中，在早期宇宙中暗物质形成后的某个时候，它与正常物质的相互作用强度突然增加--这一方面使它有可能在今天被探测到，同时也可以解释暗物质的丰度。这张美国宇航局哈勃太空望远镜的图像显示了暗物质在巨大星系团Abell1689中心的分布情况，该星系团包含大约1000个星系和数万亿颗恒星。暗物质是一种不可见的物质形式，占了宇宙质量的大部分。强如哈勃望远镜也无法直接看到暗物质，天文学家通过分析引力透镜的影响来推断它的位置，即来自阿贝尔1689背后的星系的光线被星系团内的干扰物质所扭曲。研究人员利用42个背景星系的135个透镜图像的观测位置，计算出该星团中暗物质的位置和数量。他们将这些推断出的暗物质浓度的地图叠加在由哈勃高级观测相机拍摄的星团图像上，并将其染成蓝色。如果该星团的引力只来自可见星系，那么透镜扭曲就会弱得多。该地图显示，暗物质最密集的地方是在星团的核心。资料来源：NASA，ESA，D.Coe（NASA喷气推进实验室/加州理工学院和太空望远镜科学研究所），N.Benitez（西班牙安达卢西亚天体物理研究所），T.Broadhurst（西班牙巴斯克地区大学），和H.Ford（约翰霍普金斯大学）由于寻找重的暗物质粒子即所谓的WIMPS尚未获得成功，研究界正在寻找替代的暗物质粒子，特别是较轻的粒子。同时，研究人员说，人们普遍期待着暗物质的相变--毕竟，在可见范围有几个相变，但是以前的研究倾向于忽略它们。"对于一些计划中的实验所希望进入的质量范围，还没有一个一致的暗物质模型。然而，我们的HYPER模型说明，相变实际上可以帮助使暗物质更容易被探测到，"JGU的理论物理学博士后研究员Elor说。一个合适的模型所面临的挑战是，如果暗物质与正常物质的相互作用太强，那么它在早期宇宙中形成的（精确已知的）数量就会太少，与天体物理学观察结果相矛盾。然而，如果它的产生量恰到好处，那么反过来说，这种相互作用就会太弱，无法在现今的实验中探测到暗物质。McGehee说："我们的中心思想，也就是HYPER模型的基础，是相互作用突然改变一次--所以我们可以拥有两个世界中最好的东西：适量的暗物质和一个大的相互作用，这样我们就可以探测到它。"而这正是研究人员所设想的。在粒子物理学中，一种相互作用通常是由一个特定的粒子，即所谓的中介物来调解的--暗物质与正常物质的相互作用也是如此。暗物质的形成和它的探测都是通过这种中介物进行的，相互作用的强度取决于其质量。质量越大，相互作用就越弱。调解物首先必须足够重，以便形成正确数量的暗物质，然后足够轻，以便暗物质可以被探测到。解决方案。在暗物质形成后有一个相变，在此期间，媒介物的质量突然减少。"因此，一方面，暗物质的数量保持不变，另一方面，相互作用被提升或加强，以至于暗物质应该可以被直接探测到，"Pierce说。新模型HYPER几乎涵盖了计划中的实验的全部参数范围。具体来说，研究小组首先考虑了介体介导的与原子核质子和中子的相互作用的最大截面与星象观测和某些粒子物理学衰变相一致。下一步是考虑是否有一个表现出这种相互作用的暗物质模型。"在这里我们提出了相变的想法，"McGehee说。"然后我们计算了宇宙中存在的暗物质的数量，然后用我们的计算结果模拟了相变。""由于有大量的制约因素需要考虑，例如暗物质的数量不变，在这里，我们必须系统地考虑并包括非常多的情况，例如，提出这样的问题：是否真的可以确定我们的调解人不会突然导致新的暗物质的形成，当然这一定不是，"Elor说。"但最后，我们确信我们的HYPER模型是有效的。"该研究发表在《物理评论快报》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1340859.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1340859.htm