针对子弹星系团中暗物质的新研究

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 视频天象|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索

编译：何沐萱

校译：牧夫天文校对组

后台：王启儒

https://www.universetoday.com/articles/a-new-study-into-dark-matter-in-the-bullet-cluster-could-disprove-its-existence

暗物质，一种构成了85%宇宙质量的神秘物质，至今仍不断吸引着科学家们，又让他们困惑不已。尽管我们无法在可见光波段直接观测到暗物质，但它带来的影响却体现在星系的旋转曲线、暗物质晕以及由其引起的引力透镜效应中。子弹星系团，距地球37亿光年，由两个相互碰撞的星系团组成，一直是天文学家寻找暗物质的重点研究对象。背后的原因则是，引力透镜效应研究被视作为证实暗物质存在的有力证据。

在观察子弹星系团时，科学家们注意到，由于星系团的引力使其周围的时空发生弯曲，在其之外的星系显现出了扭曲的状态。一个国际研究团队使用韦布空间望远镜（JWST），结合最新观测数据和现有图像，对子弹星系团进行了分析，以得到新的进展。他们的分析报告指出，对于星系团中观测到的的影响，存在一种完全不涉及暗物质的替代解释。他们的发现有可能迫使天文学家对如今被视为证明暗物质存在最有力的证据之一进行新的评估与分析。

形成子弹星系团的碰撞发生在约40亿年前，那时两个各自包含上百星系的星星团以超过 2500km/s 的速度相互碰撞。尽管星系团中包含多达万亿颗恒星，但其中绝大多数的可见物质，实际上都由恒星系统之间的气体，即星际介质（ISM）组成。在碰撞过程中，两团气体云在经过对方时会受到摩擦力，导致它们速度降低，温度升高。如今，这些气体云以弥散的斑块形式存在，并在X射线波段中发出明亮的辐射。

子弹星系团的中心

图源：NASA/ESA/CSA/STScI/CXC/Caltech/IPAC

然而，由于恒星之间的距离极其遥远，这两个星系团中的星系在相互穿过时几乎没有发生碰撞，而是得以彼此穿越。因此，星系团本身与其携带的星际气体逐渐分离。在JWST的图像中（如上图所示），高温气体云以粉色呈现，而暗物质分布则以蓝色呈现。星系团1位于最左侧气体云的左侧，星系团2则位于最右侧气体云的右侧。这四个结构共同构成了子弹星系团的整体结构。

从该图像中还可以清楚看到，位于星系团之外的背景星系出现了扭曲，并呈现出新月形状。奇怪的是，尽管星系团的质量相对较小，它们却表现出最强的引力透镜效应。与此同时，两团明亮的气体云按理说是质量最集中的区域，却只产生了相对较弱的透镜效应。这表明在这些星系中可能存在额外的物质，而天文学家目前无法直接探测到它们。

根据现有理论，暗物质仅通过引力与普通物质发生相互作用，而不涉及到其他基本力（电磁力、弱核力和强核力）。正因如此，它不会因摩擦而减速，也不会从星系团中被分离出来。观测得到的数据同时也支持另一种解释：修正牛顿动力学（MOND），这一宇宙学模型完全舍弃了暗物质的概念。直至今日，由于无法解释诸如子弹星系团等的现象，MOND一直被视为一种边缘理论。

“然而恰恰相反，我们的研究表明，子弹星系团实际上与MOND模型具有很高的一致性，”HISKP研究人员Dong Zhang说道。他是该论文的第一顺位作者，并完成了大部分计算工作。“如果大质量恒星最终燃尽，它们会变成中子星或黑洞。与暗物质类似，这些天体都是不可见的，只能通过它们施加的巨大引力效应间接探测。”

“幽灵星系”在银河系暗物质晕中的艺术示意图

图源：NASA, ESA, T. Brown, J. Tumlinson (STScI)

HISKP教授Pavel Kroupa作为该研究的共同作者补充道：“这一观测结果迄今一直被视为暗物质存在的证据。在MOND模型中，大质量恒星的残骸在一定程度上扮演了类似暗物质的角色。即使在假定暗物质存在的标准模型中，其被推定的数量也必须显著减少大约一半。”

此外，来自JWST的新数据使研究人员能够更精确地计算两个星系团中的恒星数量以及重元素含量。来自朴次茅斯大学引力与宇宙学研究所的Indranil Banik，（另一位共同作者）指出，新计算得到的恒星及其他天体数量可以解释所观测到的引力透镜效应。

这些关于子弹星系团的新数据与新认识，对暗物质的一个关键证据提出了质疑，同时也为MOND理论提供了更有说服力的支持。

责任编辑：王启儒

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信号：astronomycn

图注：GJ 1214 b的前景示意图，在其母恒星中心发出的红光照射下呈现