哈勃检测到最小的已知暗物质团块，“冷暗物质”突破

该图形说明了遥远的类星体的光是如何被巨大的前景星系和沿光路的微小暗物质团块改变的。星系强大的引力扭曲并放大了类星体的光，产生了四张扭曲的类星体图像。暗物质团块沿着哈勃太空望远镜的视线位于类星体以及前景星系内部和周围。暗物质团块的存在通过使光线从遥远的类星体传播到地球时变形和稍微弯曲来改变每个扭曲的类星体图像的表观亮度和位置，如图中的摆动线所示。天文学家将这些测量结果与预测的类星体图像在没有暗物质团块影响的情况下进行了比较。研究人员使用这些测量值来计算微小暗物质浓度的质量。类星体的四倍图像很少见，因为背景类星体和前景星系需要几乎完美的对准。

天文学家们利用NASA的哈勃太空望远镜和一种新的观测技术，发现暗物质形成的团块比以前已知的要小得多。这一结果证实了被广泛接受的“冷暗物质”理论的基本预测之一。

根据这一理论，所有星系都形成并嵌入暗物质云中。暗物质本身由缓慢移动或“冷”的粒子组成，这些粒子聚在一起形成的结构，其范围从银河系质量的数十万倍到团块，其质量不超过商用飞机的质量。（在这种情况下，“冷”是指粒子的速度。）

哈勃望远镜的观测结果对暗物质的性质及其行为产生了新的见解。“我们对冷暗物质模型进行了非常有说服力的观察测试，它以飞色通过。”观察小组成员，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的汤玛索·特鲁（Tommaso Treu）说。

暗物质是一种看不见的物质形式，它构成了宇宙的大部分物质，并在其上建立了建立银河系的脚手架。尽管天文学家看不到暗物质，但他们可以通过测量其重力如何影响恒星和星系来间接检测其存在。通过寻找嵌入的恒星来探测最小的暗物质形成可能是困难的或不可能的，因为它们包含的恒星很少。

哈勃太空望远镜的每张快照都揭示了一个背景类星体及其主星系的四个扭曲图像，这些图像围绕着前景大星系的中心核心。巨大的前景星系的引力通过扭曲类星体的光而像放大镜一样发挥作用，称为引力透镜效应。类星体是由活跃的黑洞产生的距离极远的宇宙路灯。由于前景星系和背景类星体之间几乎需要精确对准，因此这类类星体的四倍图像很少见。天文学家利用引力透镜效应来发现有史以来最小的暗物质团块。丛位于望远镜到类星体的视线范围内，以及位于前景镜头星系中及其周围。暗物质浓度的存在会改变每个扭曲的类星体图像的表观亮度和位置。天文学家将这些测量结果与预测的类星体图像在没有暗物质团块影响的情况下进行了比较。研究人员使用这些测量值来计算微小暗物质浓度的质量。哈勃望远镜的广角相机3捕获了每个类星体发出的近红外光，并将其分散成其组成颜色，以便进行光谱学研究。图像拍摄于2015年至2018年之间。

虽然已经在大中型星系周围检测到了暗物质浓度，但到目前为止，还没有发现小得多的暗物质团块。在没有观测到此类小块状物质的证据的情况下，一些研究人员已经开发出其他理论，包括“温暖的暗物质”。这个想法表明，暗物质粒子正在快速移动，过快地压缩而无法合并并形成较小的浓度。新的观察结果不支持这种情况，发现暗物质比温暖的暗物质替代理论更“冷”。

哈勃调查负责人，位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的美国宇航局喷气推进实验室的安娜·尼伦伯格说：“暗物质比我们在较小规模上要冷的多。”“天文学家之前曾对暗物质理论进行过其他观测测试，但我们的证据为有小块冷暗物质的存在提供了最有力的证据。”通过结合最新的理论预测，统计工具和新的哈勃观测，我们现在得到的结果比以前可能的要可靠得多。

寻找缺乏恒星的暗物质浓度已被证明具有挑战性。但是，哈勃研究小组使用的技术不需要寻找作为暗物质示踪剂的恒星的引力影响。该团队的目标是八颗强大而遥远的宇宙“路灯”，被称为类星体（活跃的黑洞周围的区域，它们发出大量的光）。天文学家测量了环绕类星体黑洞的氧气和氖气发出的光如何被巨大的前景星系的引力扭曲，该星系起着放大透镜的作用。

利用这种方法，研究小组发现了沿望远镜视线到类星体以及中间的透镜星系及其周围的暗物质团块。哈勃探测到的暗物质浓度是银河系暗物质晕的质量的1 / 10,000至1 / 100,000倍。这些微小的星团中的许多极有可能甚至不包含很小的星系，因此通过传统的寻找嵌入恒星的方法无法检测到。

八个类星体和星系是如此精确地对齐，以至于扭曲效应（称为引力透镜）对每个类星体产生了四个失真的图像。效果就像看着游乐园镜子。由于前景星系和背景类星体之间几乎需要精确对准，因此这类类星体的四倍图像很少见。但是，研究人员需要多个图像来进行更详细的分析。

暗物质团块的存在会改变每个扭曲的类星体图像的表观亮度和位置。天文学家将这些测量结果与预测的类星体图像在没有暗物质影响的情况下的外观进行了比较。研究人员使用这些测量结果来计算微小暗物质浓度的质量。为了分析数据，研究人员还开发了精心设计的计算程序和密集的重建技术。

“想象一下，这八个星系中的每一个都是一个巨大的放大镜，”加州大学洛杉矶分校的团队成员丹尼尔·吉尔曼解释说。“小的暗物质团块就像放大镜上的小裂缝，与您希望看到的玻璃是否光滑相比，改变了四个类星体图像的亮度和位置。”

研究人员使用哈勃望远镜的Wide Field Camera 3捕获了每个类星体的近红外光，并将其分散成其组成颜色，以便进行光谱学研究。背景类星体的独特发射最好在红外光下看到。“哈勃在太空的观测使我们能够在较低分辨率的地面望远镜无法访问的银河系中进行这些测量，而且地球大气对我们需要观测的红外光是不透明的，”研究小组的成员西蒙·比雷尔（Simon Birrer）解释说。加州大学洛杉矶分校。

Treu添加了：“令人难以置信的是，经过近30年的运行，哈勃实现了对基本物理学和宇宙本质的前沿见解，而我们甚至在梦was以求的情况下都没有想到过望远镜的诞生。”

重力透镜是通过对地面调查（例如斯隆数字天空调查和暗能量调查）进行筛选而发现的，这些调查提供了有史以来最详尽的宇宙三维地图。类星体位于距地球约100亿光年的地方；前景星系，大约20亿光年。

研究中发现的许多小结构为暗物质的性质提供了更多线索。尼尔伯格解释说：“暗物质的粒子特性会影响形成多少团块。”“这意味着您可以通过计算小团块的数量来了解暗物质的粒子物理学。”

但是，构成暗物质的颗粒类型仍然是个谜。比勒说：“目前，实验室中没有直接证据表明存在暗物质颗粒。”“根据宇宙物理学家对暗物质的观察，如果物理学家不说暗物质存在，粒子物理学家甚至不会谈论暗物质。当我们的宇宙学家谈论暗物质时，我们在问‘暗物质如何控制宇宙的外观，以及在什么尺度上？”

天文学家将能够使用未来的NASA太空望远镜（如James Webb太空望远镜和广域红外勘测望远镜（WFIRST））对暗物质进行后续研究，这两个望远镜都是红外天文台。对于所有已知的四透镜类星体，韦伯将能够有效地获得这些测量值。WFIRST的清晰度和大视野将帮助天文学家观察受大型星系和星系团巨大引力场影响的整个空间区域。这将有助于研究人员发现更多此类稀有系统。

该小组将在夏威夷火奴鲁鲁的美国天文学会第235次会议上介绍其结果。

哈勃太空望远镜是美国宇航局与欧洲航天局（ESA）之间国际合作的项目。NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理该望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃望远镜的科学运作。STScI由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运营。