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詹姆斯·韦伯太空望远镜还没发射,天文学家就计划研究暗物质了!

2020-02-13

在使用美国宇航局(NASA)即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜进行的两项独立研究中,一组天文学家将观察银河系和附近仙女座星系的矮星系同伴,研究这些矮星系将帮助科学家了解星系的形成和暗物质的性质,暗物质被认为占宇宙中大约85%的物质。在第一项研究中,该研究团队将通过测量银河系两颗矮星的运动来获得有关暗物质的信息。在第二项研究中,将研究大星系仙女座星系周围四个矮星系的运动。

这将有助于确定仙女座一些卫星星系是否在一个平面内运行,就像我们太阳周围的行星一样,这将对理解星系的形成有重要意义。这两个项目的首席研究员是马里兰州巴尔摩空间望远镜科学研究所(STSCI)的Roeland van der Marel。离我们银河系最接近的星系是伴矮星系,比银河系小得多,van der Marel和团队计划研究其中两个矮星系Draco和Sculptor中恒星的运动,恒星轨道可能由每个星系中暗物质产生的引力控制。


观测银河系伴星系中的恒星运动


通过研究恒星的运动方式,研究人员将能够确定暗物质在这些星系中的分布情况。宇宙中的结构是如何形成的,取决于构成宇宙中大部分质量的暗物质的性质。知道暗物质存在,但我们不知道这些暗物质到底是由什么组成。只知道宇宙中有某种具有引力性质的东西,它会拉动物体,但并不真的知道它是什么。该小组将研究暗物质在矮星系中心的分布,以确定这种神秘现象的温度特性,如果暗物质是“冷暗物质”,那么它在星系中心附近的密度将非常高。

如果暗物质是“暖暗物质”,它将在接近银河中心的整个区域中变得更加均匀。与此同时,韦伯太空望远镜近红外相机(NIRCam)将研究Draco和Sculptor的中心,另一台仪器,近红外成像仪和无缝隙光谱仪(NIRISS),将探测矮星系的外围。这些同步观测将提供一些关于恒星如何在矮星系中心和外围不同移动的洞察。它们还将能进行同一星系的两个独立测量,以检验任何系统或仪器的影响。由于韦伯太空望远镜的光收集面积,大约是美国宇航局哈勃太空望远镜的六倍,因此该团队可以测量比哈勃所能看到微弱得多的恒星运动。


研究矮星系伴星对仙女座的运动


一项研究中包含的恒星越多,研究小组就能越准确地对影响它们运动的暗物质进行建模。仙女座星系是距离我们银河系最近的大邻居星系,它和银河系一样,有许多矮星系伴星。van der Marel和研究团队计划研究这些矮星系中的四个是如何围绕仙女座星系运动,以确定它们是否在空间中的平面内分组,或者它们是否在围绕仙女座星系四面八方移动。与第一个观测项目不同的是,该团队并没有试图测量矮星系内的恒星如何运动。

在这项研究中,研究试图确定矮星系作为一个整体是如何围绕仙女座移动的,这将提供对大星系通过吸积和积累较小星系而形成过程的洞察,以及这一过程的确切运行原理。在大多数模型中,围绕在较大星系周围的矮星系不会位于平面内。通常,科学家们会期望矮星系以随机的方式绕着更大星系飞行。慢慢地,这些矮星同伴会失去能量,并被吸积到更大的星系中,而这个星系还会变得更大。然而,对于银河系和仙女座星系来说,有几项研究表明,至少有一部分矮星系位于一个平面上,甚至可能在该平面内旋转。

确定这是否属实的方法之一是测量他们的三维运动,如果运动实际上是在平面上,那就意味着矮星系将停留在平面上。但是,如果伴矮星看起来在一个平面上,但他们的运动是在各个方向上,这将表明一种偶然的排列,而不是一个持久的结构。如果矮星系真的在一个平面上,这可能意味着几件事中的一件。有可能是很大一部分矮星同伴作为一个单独的群体落入了仙女座星系轨道。如果是这样的话,矮星将保留他们一起坠入的“记忆”,并且他们现在将表现出类似的动力学性质。

一种可能性是仙女座的矮星系形成了所谓的“潮汐矮星系”,这些被引力束缚的气体和恒星集合是在大型螺旋星系之间的合并或相互作用过程中形成,它们的质量与矮星系一样大,但并不像科学家认为的那样由暗物质主导,因为我们周围的大多数矮星系都是这样。两个大星系与大量气体的合并可能会形成一些最终形成单一平面结构的矮星系,但这将是不寻常的,因为科学家们不认为潮汐矮星系是宇宙中占主导地位的矮星系类型,人们通常知道矮星系是在称为晕的暗物质云内部形成。


韦伯的极高精确度


这两种情况都可能意味着星系的形成可能比研究人员有时认为的更复杂。这两种情况都会对发展星系形成理论模型的科学家提供额外的限制。在这两个项目中,研究团队将把韦伯太空望远镜的精确度推到极限,这是一个非常棘手的情况,因为基本上我们想要测量的是非常微小的运动,即想要达到的精度就像从地球上看到在月球表面每年移动几英寸的东西。这两项研究都是分配给韦伯望远镜科学家马特山团队的保证时间观测(GTO)计划;

他也是总部设在华盛顿特区的大学天文学研究协会(AURA)的主席,詹姆斯·韦伯太空望远镜将于2021年发射升空,届时将成为世界上首屈一指的空间科学观测站,韦伯将能解开太阳系中的奥秘,超越其他恒星周围的遥远世界,探索我们宇宙的神秘结构和起源,以及我们在其中的位置。詹姆斯·韦伯太空望远镜是由美国宇航局(NASA)及其合作伙伴欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局领导的一个国际项目。


博科园|研究/来自:美国宇航局戈达德太空飞行中心

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