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哈伯望遠鏡發現暗物質理論缺少了某些成分
暗物質不會吸收﹑發射和反射光線﹐而僅透過重力影響其他物質。暗物質群聚(又稱暗物質暈)形成宇宙結構的基礎﹐因其龐大重力吸聚氣體﹐促成星系形成。遠方星系的光線會受前景星系團的重力影響產生偏折﹐因而呈現放大﹑扭曲或有多重的影像﹐此稱為重力透鏡效應(gravitational lensing)。透過觀測質量越聚集則偏折越大的程度﹐可以回推前景星系團中的暗物質分佈。此外﹐由於暗物質在星系團中的分布具有不同尺度的結構﹐因此可以把重力影響疊加﹐看成大尺度(星系團)的透鏡上加小尺度(星系)的透鏡。
透過哈伯望遠鏡﹐科學家發現遠方星系因星系團的重力透鏡效應﹐呈現大尺度的彎曲弧形(arc)和拉長(elongate)的形狀。此外﹐又發現因星系重力進一步偏折﹐所造成的小尺度弧狀和扭曲影像。搭配VLT(Very Large Telescope)的光譜觀測﹐科學家得以決定星系內部恆星的速度﹐並估算個別星系的質量及距離。
為了和觀測結果比較﹐科學家先從電腦模擬中﹐找出質量﹑距離和形態皆類似觀測的星系團﹐並再計算其重力透鏡效應。藉此﹐科學家發現電腦模擬中星系尺度的重力透鏡效應﹐發生頻率遠較實際觀測到的低﹐顯示星系中的暗物質分布比理論預期更集中。此結果矛盾的可能解釋有兩個﹐其一是現有理論模擬仍然少了關鍵的物理機制﹐亦或是我們對暗物質的特性有不了解之處。NASA的新一代望遠鏡(Nancy Grace Roman Space Telescope)﹐將能提供更多的觀測資料來幫助了解該謎題。
上圖是哈伯望遠鏡看到的MACS J1206星系團影像(可見光和紅外光波段)。前景星系團的重力就像巨大透鏡般﹐放大遙遠星系並扭曲它的形狀(如圖片中央環狀拉長的影像)。星系團中央的有些質量較大的星系﹐像小尺度的透鏡般近一步扭曲放大背景星系影像。藉由分析重力透鏡後的影像﹐可以估算出前方星系團暗物質的分佈。右上和下方顯示星系尺度的重力透鏡效應﹐遠方偏藍的星系被前方偏紅的星系的重力透鏡效應影響﹐呈現環形和多重的影像。左上圖﹐其中紅色的團塊是遠方星系的雲氣﹐被重力透鏡偏折後呈現的四重影像。這是VLT的觀測結果﹐遠方星系非常黯淡沒有顯示在哈伯望遠鏡的觀測中。
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