暗物质核心挑战传统理解

■张慧

在2012年3月，天文学家通过分析哈勃望远镜观测到的数据发现，在大质量星系团碰撞后的残骸中留有暗物质团。这一观测结果挑战了现存有关暗物质的预测理论：即在星系团碰撞过程中，星系与暗物质紧密相连。

阿贝尔520是一个巨大的合并星系团，距离地球24亿光年。暗物质能够产生像放大镜一样的效果，使其后面的星系和星系团发出的光线弯曲偏折。天文学家利用这种引力透镜效应，推测出了大质量星系团中暗物质的存在。

这项观测显示出阿贝尔520星系团中的暗物质聚集形成了“暗物质核心”，其中包含的星系数量要远远少于预测。很明显，大部分的星系在碰撞期间游离到了很远的地方。

加利福尼亚大学戴维斯分校的天文学家，该观测报告的主要作者詹姆斯·杰称：“暗物质的表现不同于预测情况，但具体原因目前尚未明确。用现存的星系形成和暗物质理论很难解释哈勃望远镜的观测结果。”目前该观测报告已经由《天体物理学》杂志接受，并已在网上发表。

天文学家最初在2007年发现星系团中存在有暗物质。但是由于缺乏数据，天文学家将这种不平常的现象视为假象，并未予以重视。哈勃望远镜最新的观测结果显示，阿贝尔520星系团中的暗物质和星系是分离开的。

星系团是宇宙中最大的结构，研究暗物质总质量的方法之一就是分析星系团之间的碰撞。天文学家认为，当星系团碰撞时星系会像一条被拴着的狗一样，紧紧跟着暗物质。而炽热的气体云和X射线放射出的星系际气体则会相互作用，逐渐减速，落在后面。

上述理论得到了观测数据的支持：当两个星系团猛烈碰撞形成子弹星系团时，天文学家观测到了可见光和X射线。这已成为星系团中暗物质行为表现的样本案例。

针对阿贝尔520星系团的研究表明，暗物质的行为并非如此简单。通过最初的观测数据，天文学家发现该星系团的核心中含有大量的暗物质和炽热气体，但是没有发光星系。而通常情况下，发光星系会和暗物质处于同一位置。钱德拉X射线天文台被用于追踪炽热气体。同时，天文学家使用设在夏威夷岛莫纳克亚（毛纳基）山顶的加法夏望远镜和昴星望远镜进行观测，通过测定由远处背景星系发出的产生引力透镜效应的光线，推测出了暗物质的位置。

随后，天文学家通过使用哈勃望远镜上的2号宽视场行星照相机进行了拍摄（该照相机能追踪到背景星系中的细微的光线扭曲变化），并据此绘出了暗物质的分布图。令天文学家惊奇的是，哈勃望远镜的观测结果验证了2007年的发现。

杰说：“我们描绘出大约六个暗物质分布图，它们都是由高速星系团撞击形成的。其中子弹星系团和阿贝尔520星系团的近期合并证据最为清晰，但二者的表现却不同。目前没有任何理论能够解释这两次碰撞中暗物质为何有不同表现，我们需要更多的观测样本。”

该团队对这项发现做出了数种解释，但都未得到众多天文学家的认可。某种情况下一些暗物质能够出现天文学家称为“粘住”的状况，这种情况可能会产生惊人的推断。普通物质撞在一起时，会像两个雪球撞击在一起那样减速。而科学家认为暗物质粒子碰撞时会相互穿越，而不会减速。这种观点解释了为什么一些暗物质自身会发生作用，碰撞后会留在原地。

另一种可能成立的解释是，与子弹星系团相比，阿贝尔520星系团的形成经历了更复杂的相互碰撞。阿贝尔520星系团可能是由三个星系团相互碰撞形成的，而子弹星系团只是由两个星系团相互碰撞形成的。

第三种可能是，核心部分包含了许多星系，但由于这些星系太暗，即使哈勃望远镜都无法观测到。这些星系的恒星数量很可能远远少于其他普通星系中恒星的数量。该团队将利用哈勃望远镜观测得到的数据建立计算机仿真模型，重现星系团碰撞的过程，来寻找暗物质奇异表现的答案。