暗物质甚至比早先预想的更暗

这幅拼贴画显示美国宇航局/欧空局的哈勃空间望远镜拍摄的6个不同星系团的影像。这些星系团是在一项当星系团碰撞时，星系团中的暗物质如何表现和反应的研究中得到观测的。总共研究了72个巨星系团碰撞。利用来自哈勃的可见光波段的影像，这个团队能够绘制碰撞后恒星和暗物质（用蓝色表示）的分布。上图中的星系团，从左至右，从上到下依次为：MACS J0416.1–2403, MACS J0152.5-2852, MACS J0717.5+3745, Abell 370, Abell 2744 and ZwCl 1358+62。影像提供：NASA, ESA, D. Harvey (EPFL, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team, ST-ECF, ESO, D. Coe (STScI), J. Merten (Heidelberg/Bologna), HST Frontier Fields, Harald Ebeling(University of Hawaii at Manoa), Jean-Paul Kneib (LAM)and Johan Richard (Caltech, USA)


天文学家借助美国宇航局/欧空局的哈勃空间望远镜和美国宇航局的钱德拉X射线天文台的观测研究了当星系团碰撞时，星系团中的暗物质如何表现和反应。研究结论发表在2015年3月17日的《科学》上，结论表明暗物质和其自身的相互作用甚至比早先预想的小，缩小了这种神秘物质可能是什么的选项范围。
暗物质一个悬在我们的宇宙知识上空的巨大问号。暗物质在宇宙中比可见物质更多，但它极其难以找到；它不反射、吸收或者辐射光，这使得它看不见。因此，仅仅通过它对可见宇宙的引力效应才能知道它的存在。
为了更多了解这种神秘物质，研究人员能够用一种和可见物质实验相似的方式研究它，通过观测它和天体碰撞时会发生什么情况来了解它。因此，研究者观测星系团，在星系团中，涉及暗物质的碰撞自然发生，而且这种碰撞的数量足够大，得以观测到碰撞的效应。
星系由三种主要成分组成：恒星，气体云和暗物质。在碰撞期间，分布在星系中的气体云彼此碰撞，然后速度减慢或者停下来。因为恒星之间巨大的间隔，彼此之间没有减慢效应，所以恒星受到气体阻力的影响小得多，虽然，如果两颗恒星确实发生碰撞，摩擦力将会是巨大的。
“我们知道气体和恒星面对这些宇宙碰撞如何反应，以及它们从残骸中的何处出现。比较暗物质如何反应能够帮助我们缩小它到底是什么的选项范围，”瑞士洛桑的EPFL的哈维解释道，他是这项最新研究的第一作者。
哈维和他的团队借助来自美国宇航局/欧空局的哈勃空间望远镜和美国宇航局的钱德拉X射线天文台的观测研究了72个巨星系团的碰撞。这些碰撞发生在不同时间，并从不同角度对它们进行观测，一些从侧面，另外的从正面。
该团队发现，暗物质像恒星一样继续笔直地通过剧烈的碰撞，没有放慢速度。然而，和恒星不同的是，这不是因为暗物质在碰撞期间彼此远离。流行的理论是暗物质均匀地分布在星系团中，因此暗物质粒子经常地彼此非常靠近。暗物质没有放慢速度的原因是，因为它不仅不和可见粒子相互作用，而且比早先预想的更少地和其它暗物质发生相互作用。
“以前的研究在子弹星团中观测到相似的行为，”团队成员马瑟说，他来自英国杜尔汉姆大学。“但如果你只有一个例子，就难以解释你观测到的现象。每一次碰撞都要花费数亿年时间，因此在人的一生中，我们仅能够从单个照相镜头视角看到一个定格图像。现在我们已经研究了如此多的碰撞，我们能够开始拼接出完整的电影，从而更好地理解正在发生的情况。”
通过发现暗物质和自身的相互作用比此前预想的要少，该团队成功地缩小了暗物质的特征。粒子物理学理论家不得不持续观测，但现在他们在建构他们的理论模型时只需应对更少的未知变量。
暗物质可能潜在地具有丰富而复杂的特征，仍然有数个其它类型的相互作用需要进行研究。这些最新结论排除了产生强大摩擦力的相互作用，这种摩擦力会造成暗物质在碰撞期间放慢速度。其它可能的相互作用能够让暗物质粒子彼此像台球一样碰撞，造成暗物质在碰撞期间被抛出或者改变形状。该团队随后将研究这些情况。
为了进一步增加能够研究的碰撞数量，该团队也在研究涉及单个星系的碰撞，这种碰撞要普遍得多。
“暗物质仍然有数个较为可靠的候选者，因此游戏还没有结束，但我们正越来越接近正确答案，”哈维总结道。“这些‘天文学意义上巨大的’粒子碰撞者最终将让我们一瞥包围着我们但又无法触及的暗世界。”