神秘的暗物质，竟表现出引力性质？利用“弱透镜”追踪暗物质晕

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林奈

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[ AI在线 ]

宇宙中大约85%的物质以暗物质形式存在，但暗物质的本质仍然是一个谜，其余的就是我们所熟知的正常普通物质。暗物质表现出引力性质，但不与正常普通物质相互作用，也不发光。研究星系演化的天文学家发现，因为暗物质如此丰富，所以暗物质确实主导了宇宙中像星系团这样的大尺度结构形成。尽管很难直接探测到暗物质，但可以通过对星系在一定范围内分布的敏感观测进行建模来追踪暗物质。

星系通常位于被称为光晕的巨大暗物质团中心，因为它们围绕着星系。前景暗物质晕引力透镜作用于较远的星系，为暗物质的详细分布提供了一个特别独特和强大的探测器。“弱透镜”导致背景星系的形状适度但系统地变形，并能对星系团内暗物质的分布提供强有力约束；相比之下，“强透镜”则产生高度扭曲、放大，有时甚至是多个单一来源的图像。

在过去的十年里，观测和流体力学模拟极大地加深了我们对大质量星系如何演化的理解，现在更倾向于两阶段情景。在第一步中，今天星系的大质量核心是在宇宙学时代由物质的引力坍缩形成，连同它们周围的暗物质晕一起形成。恒星的形成增加了星系系质量。然而，最大质量的星系有第二个阶段，在这个阶段，它们从其他星系的外部区域捕获恒星，一旦它们自己的恒星形成消退，这个阶段就会主导它们的“组装”。

计算机模型和一些观测结果似乎证实了这种情况。哈佛史密森天体物理学中心天文学家约书亚·斯皮格尔(Joshua Speagle)是该研究团队的成员，该团队使用斯巴鲁望远镜上光学和近红外波长的超敏感、宽视场成像来研究大质量星系的组装。其技术利用了弱透镜效应，因为大质量星系往往也有更多质量更大的暗物质光晕，这些光晕扭曲了光线。

天文学家研究了大约3200个恒星质量大于银河系（大约4000亿个太阳质量）的星系。使用弱透镜分析发现，关于大质量暗物质晕“组装”历史的信息编码，在大质量中心星系的恒星质量分布中。此外，科学家们还指出，对于质量相同的星系，形状更宽广的星系往往有更大质量的暗物质晕，这一结果为探索大质量星系如何随着宇宙时间的推移而形成和演化打开了一扇新窗口。

利用Hyper SuPrime-Cam(HSC)探测的深场图像，并利用其前所未有的弱透镜能力，研究示了大质量中心星系的恒星质量分布与其宿主暗物质晕质量之间的密切联系。恒星质量分布范围更广的大质量星系往往在更大质量的暗物质晕中。研究用一个唯象模型解释了这种联系，该模型假定(1)晕质量与晕中的恒星总含量之间存在紧密关系，(2)r<10kpc处的原地和非原地质量比例依赖于暗物质晕质量，该模型很好地描述了总恒星质量(M)的恒星质量函数。