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寻找暗物质
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Robert Irion 文 Shea 编译 |
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弱引力透镜会使遥远星系的像发生微小的扭曲，这为我们探测宇宙中的暗物质提供了最直接的方法。 想象一下，在一个漆黑的夜晚，你飞行在重山峻岭之上，你知道下面有连绵起伏的山峦，但是你无法看见。突然，山坡上几户人家的灯光进入了你的视野。这星点的灯光勾勒出了山的轮廓，同时这也使你明白在远处的黑暗中还隐藏着更大的山体。 天文学家所面对的情况与此相似。近几年来，他们的研究证明，亮物质——包括我们的太阳、银河系以及所有发光的物质——仅仅是宇宙中的极小一部分。相反，宇宙中的暗物质占了将近1/4，暗能量占了近3/4。这是一个你的老师从来就没有告诉过你的宇宙：一种完全不为人知的物质和能量正控制着我们的宇宙，主宰着宇宙的未来。 为了了解暗物质的物理性质，天文学家就必须先知道它们在哪里，还要知道暗能量是如何控制宇宙膨胀的——包括物质的分布，就必须知道暗物质是如何随时间成团的。但是天文学家无法看到暗物质，他们所能看到仅仅是茫茫群山中的几点灯光而已。 这种情况正在发生改变。研究人员正在完善一项新技术——弱引力透镜。由于暗物质会使其附近的光线弯曲，因此通过观测由此导致的遥远星系形状的微小变化以及星系间排列的变化，就能反演出暗物质的存在。虽然弱引力透镜的效果对于眼睛来说并不明显，但是它确实影响着每一个遥远星系的外形。尽管在有关杂志上提出探测弱引力透镜的设想仅仅是3年前的事情，但是已经有几个天文学家小组开始致力于这项工作，挖掘它的潜力。确实，天文学家感到弱引力透镜将会和宇宙微波背景辐射以及遥远的超新星爆发一起成为现代宇宙学的基石。 “我已经不再把星系当作宇宙的标记了，”加州理工学院的天文学家理查德·埃里斯（Richard Ellis）说，“我们现在有信心去探究其中真正的物理学，同时我们有能力来直接探测暗物质。弱引力透镜可以说是最直接、最干净的宇宙探测器。” 外形与排列 弱引力透镜和更为壮观的强引力透镜从本质上讲是完全一样的。由于星系或者星系团的强大引力使得来自更遥远天体发出的光线被弯曲放大，进而就形成了强引力透镜。强引力透镜可以把一个类星体的像分成4个，或者把遥远星系团的像扭曲成弧形。这些由哈勃空间望远镜捕捉到的宇宙“哈哈镜”鲜明的向我们展示了爱因斯坦广义相对论中无处不在的光线弯曲效应。 广义相对论同时也造就了弱引力透镜，只是没有那么壮观。“强引力透镜历历在目，一看便知，”宾夕法尼亚大学的天文学家迈克尔·杰维斯（Michael Jarvis）说，“而弱引力透镜更像是艺术品，要仔细琢磨。”就像是艺术鉴赏家，天文学家开始耐着性子在一片平淡无奇的星系中寻找弱引力透镜。 这一片星系于80年代末首次被发现，包含了大约几百万个暗弱的蓝星系。这一被巴黎天体物理研究所（IAP）的天文学家路德维·冯·瓦伯克（Ludovic Van Waerbeke）称为“大图画”的区域，只要有口径2米以上的望远镜就能观测到其中的星系，而其中星系的年龄则小于现今宇宙年龄的一半。 虽然每个星系看上去都是碟状的或者是椭圆形的，但是对于大样本做数学平均而言，星系的形状都是圆形的。类似的，星系不应该在某一特定方向上拍成一列。平均而言，它们的指向（排列）应该是随机的。由暗物质引发的弱引力透镜会是这些星系的形状和排列发生大约1%的变化。寻找这种变化就成了一种统计游戏。“我们要测量每一个星系的外形和它们的指向，”瓦伯克说。为了获得有价值的数据，天文学家必须对这一区域拍摄大量的照片。通常有用的照片必须在与满月大小相当的天区（1/5平方度）中拍摄到至少20000个星系。  然后使用广义相对论，研究人员就可以把影像微小的变化转变成一张观测者和遥远星系之间的质量图——其中既包含了亮物质也包含了暗物质。但是这张图仅仅是一张2维投影图，它不能反映出暗物质团块的距离。不过即使这样，它也向我们揭示了看不见的暗物质。“这里我们不需要对暗物质的特性做任何的假设，”加州理工学院的天文学家杰森·罗德斯（Jason Rhodes）说，“这是寻找暗物质的最直接方法。” 当然，其中还有一些不确定的因素，例如，大气湍动会使星系的影像变得模糊，望远镜或者探测器本身也可能会有一些瑕疵，等等。除非图像覆盖一个足够大的天区，否则统计效率会快速降低。但是弱引力透镜的前景是如此的诱人，以至于90年代末天文学家们争先恐后的研发这项技术。2000年3月份几乎同时来自加拿大、欧洲和美国的天文学家小组发表了4篇文章，报告在这一区域探测到了弱引力透镜。 自那以后，天文学家小组开始向两个方向拓展他们的观测。一方面，一些天文学家开始着力于使用中等口径的望远镜进行大视场巡天，例如莫纳克亚的3.6米加拿大-法国-夏威夷望远镜（CFHT），以及加那利群岛的4.2米威廉·赫歇尔望远镜。这些计划的目标是尽可能多的寻找暗物质，进而从统计上了解暗物质在宇宙中的分布。另一方面，天文学家则使用欧洲南方天文台的4架8.2米望远镜和2架10米凯克望远镜对少数区域进行深场巡天。 在可见光或者X射线波段通过弱引力透镜找到的大多数暗物质通常都与普通的星系相关联。但是，一些小组的观测结果显示，暗物质也可以和星系根本不相关。这些真正的暗物质团块，如果它们真的存在的话，将揭示出宇宙的一个秘密：暗物质团块并不一定会和亮物质相关联。 大多数天文学家认为现在下结论还为时尚早。但是有一点是明确的，对于不同的物质团块，“其中亮物质和暗物质之比变化非常大，”马普天体物理研究所的马蒂亚斯·巴特尔曼（Matthias Bartelmann）说，“这是预料之外的。” 这其中的寓意是深刻的。天文学家将无法依靠单就星系的大范围巡天来了解宇宙中物质成团演化的过程。而这一过程对于解决暗能量之谜来说是至关重要的。正如巴特尔曼所注意到的，暗能量对过去几十亿年间的宇宙演化起到了决定性的影响。随着宇宙的膨胀，宇宙中的物质彼此远离，它们之间引力的减速效力越来越弱。同时，暗能量——一种空间结构自身的斥力——开始占据宇宙的主导地位。 天文学家希望能够了解暗物质是如何成团的，进而推断出暗能量是如何影响宇宙演化的。当暗能量掌控宇宙之后，“我们没有其他的办法来了解大尺度结构是如何形成的，”巴特尔说，“在这一领域，弱引力透镜无出其右者。” 在暗物质成团的测量中，天文学家正在取得进展。事实上，在我们和遥远星系之间延展分布的暗物质只会起到微小的透镜作用，但是成团的物质则会加强弱引力透镜效应——这就像在玻璃板上放置玻璃球，它们对光线的影响大大超过了单块玻璃板的影响。加拿大理论天体物理研究所的天体物理学家卡洛·康特尔蒂（Carlo Contaldi）及其同事在《物理学评论通信》上撰文，单就目前的统计结果而言，弱引力透镜巡天已经有助于确定暗物质的数量以及宇宙的膨胀率了。他写到：“综合宇宙微波背景辐射和弱引力透镜的数据，我们可以为现今的宇宙定下最强有力的限制条件。” 另一个绘制暗物质分布的方法是被弱引力透镜研究的先驱、贝尔实验室的天体物理学家安东尼·泰森（Anthony Tyson）和大卫·维特曼（David Wittman）称为“3维物质结构图”的技术。使用这项技术，通过对背景星系形状和排列变化的测量就能大致推算出暗物质团块的距离。其原理就是利用了不同距离的星系所受到的弱引力透镜效应不同这一点。  通过把星系的形状和排列变化以及星系的大致距离相关联，泰森的小组就可以把先前的2维物质投影图拓展成3维分布图，其精度在10%-20%左右。使用美国国家光学天文台的两架4米望远镜的观测数据，这一小组已经计算出了大约20个暗物质团块的位置。当2004年他们完成28平方度的巡天之后，维特曼说，他们希望能确定200个暗物质团块的位置，并且将可探测的距离扩展到70亿光年以上。[图片说明]：弱引力透镜揭示出的暗物质。版权：J. A. TYSON AND D. M. WITTMAN/DEEP LENS SURVEY。 更大的视野 但是，泰森的小组和其他人都面临着相同的问题：观测到的影像不够尖锐，视场不够深，不够大。泰森说：“现在全球范围内的设备还无法达到可以从弱引力透镜观测中获得科学成果的地步。” 天文学家现在正在研发第二代弱引力透镜巡天设备，以达到预期的科学目标。首先是CFHT巡天联盟，他们将在未来的巡天中使用有史以来视场最大的天文照相机——MegaPrime，它的视场可以覆盖1平方度的天区，相当于5个满月的大小。几周之内，他们就将开始含盖170平方度的巡天，计划将每年使用100个CFHT观测夜，持续5年。他们的目标是搜索超新星和近地小行星。但是其中由IAP的天文学家杨尼克·梅利耶（Yannick Mellier）领导的弱引力透镜巡天倍受瞩目。“MegaPrime是一架了不起的相机，这一巡天将会是这一领域中的里程碑，”加州理工学院的埃里斯说。 在CFHT的旁边就有一个有力的竞争者，日本的8.2米“昴星团”望远镜和它的Suprime-Cam照相机。尽管它的视场只有MegaPrime的1/4，但是Suprime-Cam以像质著称。另外，“昴星团”望远镜的集光能力是CFHT的4倍。这将有助于日本的天文学家探测更为遥远的弱引力透镜的细节。同时，天文学家希望通过使用“3维物质结构图”技术来确定这些暗物质团块的质量、距离和大致形状。“我们希望在适当的时候能公布第一张暗物质透镜表，”日本国家天文台小组主任宫崎聪志（Satoshi Miyazaki）说。  除此之外，其他的计划也将在下一个十年中着重弱引力透镜的研究。泰森现在领导着一个庞大的美国科学家小组，打算使用大天区巡天望远镜（LSST）进行弱引力透镜的巡天观测，这一项目获得了国家评估小组的首肯，并且被列入了地基天文学优先发展项目。其中最关键的设备是1架8.4米的望远镜和其他2架超过4米的望远镜，这使得LSST具备了至少7平方度的视场。在许多的观测计划中，LSST预计将会发现30万个暗物质团块，并且对宇宙学参数进行更精确的测量——例如，测定暗能量的“状态方程”——精度可以达到大约2%。观测计划估计将从2011年开始。[图片说明]：将用于寻找暗物质的LSST。版权：LSST CORP.。 与此同时，由劳伦斯伯克利国家实验室的天体物理学家绍尔·帕尔马特（Saul Perlmutter）领导的超新星研究小组希望能够发射超新星加速探测器（SNAP）。这个探测器将携带1架直径2米的大视场望远镜。通过回溯宇宙超过100亿年的膨胀历史来研究暗能量对宇宙演化的影响，同时它将会对弱引力透镜进行观测。帕尔马特说，最近的计划是，SNAP将花费32个月进行超新星观测，另外花5个月进行弱引力透镜巡天，其覆盖的天区至少为300平方度。 支持者希望这两个耗资巨大的项目不要冲突。对宇宙微波背景辐射的研究证明，通过精巧的设计地面上的或者气球上的望远镜也能进行重要的观测。之后的威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（WMAP）只不过以更高的精度测定了先前观测的结果而已。一些天文学家认为这两项弱引力透镜的计划都应该进行。但是另一些天文学家相信SNAP会获得更好的结果。“我们需要尽量精确的测定星系的形状，但在地面上观测始终会遇到一些问题，”IAP的冯·瓦伯克说，“不过在太空中就没有这些问题了。” 这场争论无疑会使弱引力透镜更受人瞩目，同时也将会改变我们研究宇宙的方式。“宇宙并不是我们夜晚看到的点点星光，”泰森说，“事实上，这恰恰显示出了它黑暗的一面。在某种程度上，我们现在第一次利用这些光线作为一种工具来研究整个宇宙。”当这扇门开启时，我们将习惯于面对一个黑暗但却真实的宇宙。 |
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出自：Science
发布日期：2003-06-20
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