針對子彈星系團中暗物質的新研究

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編譯：何沐萱

校譯：牧夫天文校對組

后臺：王啟儒

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

暗物質，一種構成了85%宇宙質量的神秘物質，至今仍不斷吸引著科學家們，又讓他們困惑不已。盡管我們無法在可見光波段直接觀測到暗物質，但它帶來的影響卻體現在星系的旋轉曲線、暗物質暈以及由其引起的引力透鏡效應中。子彈星系團，距地球37億光年，由兩個相互碰撞的星系團組成，一直是天文學家尋找暗物質的重點研究對象。背后的原因則是，引力透鏡效應研究被視作為證實暗物質存在的有力證據。

在觀察子彈星系團時，科學家們注意到，由于星系團的引力使其周圍的時空發生彎曲，在其之外的星系顯現出了扭曲的狀態。一個國際研究團隊使用韋布空間望遠鏡（JWST），結合最新觀測數據和現有圖像，對子彈星系團進行了分析，以得到新的進展。他們的分析報告指出，對于星系團中觀測到的的影響，存在一種完全不涉及暗物質的替代解釋。他們的發現有可能迫使天文學家對如今被視為證明暗物質存在最有力的證據之一進行新的評估與分析。

形成子彈星系團的碰撞發生在約40億年前，那時兩個各自包含上百星系的星星團以超過 2500km/s 的速度相互碰撞。盡管星系團中包含多達萬億顆恒星，但其中絕大多數的可見物質，實際上都由恒星系統之間的氣體，即星際介質（ISM）組成。在碰撞過程中，兩團氣體云在經過對方時會受到摩擦力，導致它們速度降低，溫度升高。如今，這些氣體云以彌散的斑塊形式存在，并在X射線波段中發出明亮的輻射。

子彈星系團的中心

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

然而，由于恒星之間的距離極其遙遠，這兩個星系團中的星系在相互穿過時幾乎沒有發生碰撞，而是得以彼此穿越。因此，星系團本身與其攜帶的星際氣體逐漸分離。在JWST的圖像中（如上圖所示），高溫氣體云以粉色呈現，而暗物質分布則以藍色呈現。星系團1位于最左側氣體云的左側，星系團2則位于最右側氣體云的右側。這四個結構共同構成了子彈星系團的整體結構。

從該圖像中還可以清楚看到，位于星系團之外的背景星系出現了扭曲，并呈現出新月形狀。奇怪的是，盡管星系團的質量相對較小，它們卻表現出最強的引力透鏡效應。與此同時，兩團明亮的氣體云按理說是質量最集中的區域，卻只產生了相對較弱的透鏡效應。這表明在這些星系中可能存在額外的物質，而天文學家目前無法直接探測到它們。

根據現有理論，暗物質僅通過引力與普通物質發生相互作用，而不涉及到其他基本力（電磁力、弱核力和強核力）。正因如此，它不會因摩擦而減速，也不會從星系團中被分離出來。觀測得到的數據同時也支持另一種解釋：修正牛頓動力學（MOND），這一宇宙學模型完全舍棄了暗物質的概念。直至今日，由于無法解釋諸如子彈星系團等的現象，MOND一直被視為一種邊緣理論。

“然而恰恰相反，我們的研究表明，子彈星系團實際上與MOND模型具有很高的一致性，”HISKP研究人員Dong Zhang說道。他是該論文的第一順位作者，并完成了大部分計算工作。“如果大質量恒星最終燃盡，它們會變成中子星或黑洞。與暗物質類似，這些天體都是不可見的，只能通過它們施加的巨大引力效應間接探測。”

“幽靈星系”在銀河系暗物質暈中的藝術示意圖

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

HISKP教授Pavel Kroupa作為該研究的共同作者補充道：“這一觀測結果迄今一直被視為暗物質存在的證據。在MOND模型中，大質量恒星的殘骸在一定程度上扮演了類似暗物質的角色。即使在假定暗物質存在的標準模型中，其被推定的數量也必須顯著減少大約一半。”

此外，來自JWST的新數據使研究人員能夠更精確地計算兩個星系團中的恒星數量以及重元素含量。來自樸次茅斯大學引力與宇宙學研究所的Indranil Banik，（另一位共同作者）指出，新計算得到的恒星及其他天體數量可以解釋所觀測到的引力透鏡效應。

這些關于子彈星系團的新數據與新認識，對暗物質的一個關鍵證據提出了質疑，同時也為MOND理論提供了更有說服力的支持。

責任編輯：王啟儒

牧夫新媒體編輯部

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圖注：GJ 1214 b的前景示意圖，在其母恒星中心發出的紅光照射下呈現