50個星系團照亮暗物質研究新方向

2013/06/25 |

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由中央研究院天文及天文物理研究所主導的國際天文團隊使用Subaru望遠鏡，測量了50個星系團的暗物質密度分布情形，結果發現暗物質密度最高的地方的確是星系團的中心，並漸漸向星系團外圍遞減，遞減情形和「冷暗物質」（CDM）描述吻合。暗物質充斥全宇宙，其屬性仍然是謎，本次暗物質密度分布的最新突破性研究結果，讓暗物質特性更清楚，謎團也縮小了一點點。

天文學界從80年前便首度獲得暗物質存在的證據，現在科學家大多認同暗物質的確存在。但在漆黑夜空中看不到暗物質，在粒子物理學者的實驗中，迄今也仍未找到暗物質的粒子。由於暗物質的質量占我們的宇宙總質量高達85%，「什麼是暗物質？」成為目前天文學者和粒子物理學者最想解決的問題。

星系團是宇宙中質量最大的天體結構，由中研院天文所博士後研究員岡部信主持的國際天文研究團隊，本次利用Subaru主焦點相機，共測量了50個星系團的暗物質密度特性。共同參與研究的英國伯明罕大學（Birmingham University）的Graham Smith解釋，星系團很像是：「你在晚上飛過一座大城市的上空時所看到的鳥瞰圖，你可以把每一盞明亮街燈都當作一個星系，把街燈間空隙想像成充滿暗物質。星系團裡的星系是存在於一個由暗物質構成的背景裡，除了看得到的燈光以外，其實背景裡還有連接著街燈的電線、街道。」岡部團隊認為，就像從市中心到郊區，街道和電線分布密度並非總是相同，所以他們也想以數量更多的星系團取樣得來知暗物質密度如何變化的普遍狀況。

日常生活中，我們每天接觸到的物質，密度由它的組成成分決定，同理，暗物質的密度也取決於暗物質粒子之不同屬性。所謂的「冷暗物質」的描述，在目前暗物質理論中居主流地位，它描述的暗物質粒子僅在彼此間才相互作用，和其他物質之間的交互作用，可能僅限於藉重力才發生；相互作用很少，屬性是冷的，因而稱為「冷暗物質」(Cold Dark Matter)。

暗物質既不發出也不吸收任何電磁輻射，在觀測上極度困難，因此岡部團隊採用「重力透鏡」的方式來觀測暗物質；根據愛因斯坦的廣義相對論，當極遙遠光源所發出的光束在接近大質量天體（譬如星系團）附近時，光束會彎曲，（條件是星系團位置必須在光源和觀測者之間，且三者大致排列成一直線），由於星系團裡有很多暗物質，結果造成背景星系形狀改變，因此看到星系形狀的細微改變就可偵測得到暗物質。

根據這個重力透鏡的原理，在觀測上的確發現到，受星系團裡暗物質的影響，遙遠星系的形狀和位置確實會改變。要去測量很遙遠又很暗的星系會受到暗物質在星系團裡藉重力帶來的微小變化，目前最佳測量儀器是Subaru望遠鏡，因為，它測量得非常精確，除此之外，極暗淡星系在外觀上變化微渺、總數量龐大，如何取樣也是一項關鍵技術，也是岡部在研究中獲得的重要突破。

冷暗物質理論用兩個數字描述星系團裡的暗物質分布如何由中心朝外圍由高而低遞減。其一是星系團質量，也就是它含有多少總數的質量。其二是結構參數(concentration parameter)，或不妨稱為星系團物質分布的平均密度。

岡部團隊將50個已知質量最大的星系團在觀測中獲得的結果予以加總，獲得一個整體的平均密度。結果發現暗物質密度確實由星系團外圍向星系團中心遞增，與冷暗物質模型理論相符，且這張平均分布圖顯現暗物質分布是高度對稱的，中心的密度峰（peak）很明顯。個別星系團的質量密度分布值有高有低，不盡相同，先前的研究因星系團取樣數量太少，結構參數（平均密度）偏高，結果導致與「冷暗物質」所描述不符，這次岡部團隊將星系團數量增加，結構參數的平均值也隨之改變，結果正與冷暗物質理論吻合！

岡部團隊對暗物質研究的下一步計畫是，從更小尺度去測量暗物質密度，那也就是在星系團的中心部份。星系團中心就像是大城市的市中心鬧區，探討在更小尺度上測量暗物質密度，又可幫助我們再更進一步釐清暗物質的性質。

本篇論文共同作者，東京大學Kavli數物連攜宇宙研究機構高田昌?教授，對這個研究領域的未來充滿期待：「把很多星系團的重力透鏡觀測結果精確地合成為單一結果，是非常厲害的技術。臺灣和日本的天文學家正聯手合作，準備以Subaru望遠鏡上的新一代超廣角相機(HSC: Hyper Suprime-Cam)來進行人類史上最大的星系普查計劃之一。本次研究新成果，證實了運用HSC這座超廣角相機來進行重力透鏡的研究，的確前景看好並且可行。」