描绘暗物质分布图

描绘暗物质分布图
编译：Alex

十多年以来，天文学家们认为宇宙中百分之九十的物质是不可见的，它们“失踪”了。然而，暗物质在宇宙结构的演化起着关键作用，所以证实这些“暗物质”的存在，是我们理解宇宙的至关重要的一步。现在关于暗物质的本原有许多理论，每一种对其在宇宙中分布的预言不尽相同，(右图是依照最近一个较为流行的理论预言所绘制的跨越1亿光年的暗物质结构图)。如果知道暗物质的实际分布情况，就能够帮我们进一步理解暗物质、理解宇宙。但是暗物质是“透明”的，不发射光线；那么我们怎们才能看到它们，了解它们的分布情况呢？

    贝尔实验室的科学家们创造了一种方法，用来给暗物质结构画幅图。贝尔实验室的这套摄像和软件技术，叫做“'引力透镜'质量分布绘图术”（gravitational lens mass tomography），给我们开启了一扇观察宇宙的新窗口。它被用来研究宇宙中众多区域的暗物质聚集程度——从星系团周围的大质量的星系晕，到距地球30到60亿光年的大尺度暗物质结构演化。

    不管物质“暗”不“暗”，只要它有质量，光线就会依照其周围的引力场改变光路。如左图所示，有时来自背景星系的光线被弯曲得很厉害，因而就会在前景大质量星系团的周围看到其多个像，这就被称为“强引力透镜”现象。而科学家们就是依照背景星系光线被弯折的程度，来计算前景星系的质量分布，从而绘出暗物质分布图。贝尔实验室应用电荷耦合器件（CCD）技术，并利用哈勃太空望远镜（HST）拍摄的遥远星系团的“宇宙蜃楼”图片（左图），构造了一幅高解析度的此星系团的暗物质分布图。右图就是一张分布图，它清晰地向我们展示了到底有多少暗物质附于星系，有多少匀称地分布于整个星系团之中。

这种效应实际上难得一见，而很巧的是，一个遥远的星系恰处于星系团CL0024+1654（双鱼座，距我们20亿光年）背后的一个非常“好”的位置上，也就形成了背景星系的多重象。在上左图中，背景蓝星系有5个象。而象主要是由星系团中所有暗物质的合作用形成的，而在这些象附近的星系会添上自己的一份分效应。科学家们是怎么知道象主要是由暗物质引起的，而非各个星系呢？其实，科学家们应用计算机对于上百万种质量分布情况进行模拟，然后和哈勃望远镜的这张图片进行比较，只有正确的质量分布才能符合哈勃图片显示的情形。这样来探测质量分布相当敏锐，左图就是以“等高线”的方式来显示星系团中的质量分布，结果表明，大部分暗物质都较为均匀地广布于达一百六十万光年尺度的星系团之中；在这广博的暗物质质量之渊中，单个星系的质量不过是其中的一滴 —— 这个星系团中所有星系中恒星质量的总和仅为所有暗物质质量的二百五十分之一！也就是说，星系团中大部分质量也并非附于星系周围。右图是一幅模拟图，表明如果大部分质量附于星系的情况，显然与哈勃的照片严重不符。

由于当代的大型望远镜都配备有CCD，天文学家们得以探测更加微弱的光线。他们发现天空中布满了数十亿光年远的蓝星系；而任何地前景暗物质团都会使这张“蓝地毯”泛起皱褶，这被称为“弱引力透镜”效应（比如遥远的圆形星系由于弱引力透镜扭曲，会看起来是椭圆的）。利用这些星系象的扭曲，科学家们也可以构造出幅幅暗物质分布图。为了探索这些暗物质的分布，Tony Tyson和Gary Bernstein专门制做出一块大视场CCD（左图）—— 这是由四块一千六百万象素的CCD拼合而成，有127毫米宽。过去三年里，这个“海量相机”(Big Throughput Camera)，被放置于智利托洛洛山美洲天文台的四米望远镜的主焦点上。它拍出一张张1度大小天区的彩色图片，其中加起来共含有400，000暗星系。在配合功能强大的自适应光学软件，才制出了最后的图片。左图是其中一张图片的局部放大，是一个星系团。中图是同一个天区的一张一度大小的彩色照片。右图就是这同一天区的暗物质分布图。

暗物质分布图正在帮助我们筛选关于暗物质本原的理论。而且，宇宙中总体物质质量的多少，会决定宇宙将继续膨胀，还是会收缩，还是已经收缩了。将来，一旦科学家们绘制好大量的暗物质三维分布图，我们就可以在其引导下更深入地理解宇宙的起源、演化及其今后的命运。就像贝尔实验室的Tyson开玩笑所说的的那样，“‘暗’物质将会有一个光明的未来。”

参考资料：

贝尔实验室暗物质研究计划主页：
http://www.bell-labs.com/org/physicalsciences/projects/darkmatter/darkmatter.html

space.com新闻：
Scientists Map Dark Matter, Prove Einstein Right Maia Weinstock撰