最近詹姆斯·韦布望远镜(JWST)发布了一张子弹星系团(Bullet Cluster)的最新照片,相信天文爱好者对子弹星系团都不陌生,这张熟悉的照片被认为是暗物质存在的强有力证据。与之前哈勃太空望远镜发布的版本比较,JWST的照片中出现了大量被引力透镜拉扯成长条的遥远星系,这使得天文学家们能更精确地计算出子弹星系团的质量分布,结果更加确定了暗物质的存在。
为什么说这张照片就是暗物质存在的坚实证据呢?先来看看这张图片里面拍的究竟是什么东西。如果把照片里红红蓝蓝的那些东西去掉,照片就成了下面这个样子:
这就能很清楚地看到这是两个巨大的星系团,分别都有上千个星系,左边大一些,右边的要小一些。天文观测显示,左边的星系团在向左移动,右边的星系团在向右移动,这表明在数十亿年以前这两个星系团曾经发生“碰撞”。由于星系间的物质非常的稀疏,两个星系团就像会法术的崂山道士一样互相穿墙而过,貌似什么都没有发生。
然而如果另外有一双能看到X射线的眼睛,结果就大为不同了。第一张照片里的粉红色是钱德拉太空望远镜观测到的结果,代表粉红色区域有大量高温的电离气体。这样的气体弥漫在大多数星系和星系团中,其质量远大于星系中的恒星,是普通物质的主要组成部分。当两个星系团相撞时,这种弥漫的气体不再能像恒星和星系那样互相“穿越”,而是会在引力的作用下互相拖住,结果就是在星系互相穿越后,气体被拖在了中间,结果两边的星系团就像被扯掉了肚兜的娃娃光溜溜地就窜出去了。右边气体云子弹头的形状形象地展示了这个拖拽的过程。
那这些又与暗物质有啥关系呢?关键的地方来了:前面说过留在中间的气体是星系团普通物质质量的主要组成部分,因而气体团的质量应该大于互穿而过的星系团。广义相对论指出巨大的质量可以形成引力透镜,造成后方物体的扭曲。因而星系团的质量可以通过对引力透镜效应的观测来进行评估。如果中央气体的质量大,后方的星系图像应该是被这两团气体的引力透镜作用放大,形成以气体团为中心的扭曲像分布。
然而观测结果却表明星系团所在位置的引力透镜比气体部分的引力透镜要强得多,这证明了星系团位置的质量远远大于气体部分。唯一合理的解释就是这些地方包含有大量的暗物质,因为暗物质不会互相作用,在星系团相互穿越时就随着普通物质一起进行了穿越,从而形成了以星系团为核心的质量中心造成了引力透镜效应。
照片中蓝色部分就是天文学家根据引力透镜效应计算出来的暗物质质量分布,计算表明其质量远远大于本应该属于普通物质主体的气体团,这明确无误地证明了两团星系被看不见但质量很大的暗物质所包裹。
从思考到创造