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类星体“幻影”

绘制暗物质地图

01

类星体“幻影”

1979年，天文学家惊讶地发现似乎有一个双类星体——两个类星体具有完全相同的红移和类似的光谱，在天空相隔只有几角秒。这样一个双类星体的发现本来就够惊人了，但它们的真相竟然更加惊人的：对这两个类星体的射电发射的仔细研究发现，它们并非是两个不同的天体。相反，它们是同一个类星体的两个单独的像！这样的双类星体的光学图像展示在图1中。

图1：双类星体。这个“双重”类星体(编号为AC114，距我们约20亿pc)并不是两个独立的天体。相反，两个大的“斑点”(左上和右下)是同一个天体的两个像，通过引力透镜形成。透镜星系本身在图中可能是不可见的——这个图像中靠近画面中央的两个天体被认为是前景星系团中的不相关的星系。

是什么能让类星体的图像这样“翻倍呢？答案是引力透镜——背景天体的光被某些前景天体的引力所偏折和汇聚(见图2)。在之前的文章中，我们看到了银河系银晕中致密天体的透镜效应如何放大一个遥远恒星的星光，允许天文学家探测不可见的恒星级的暗物质。在类星体的情况下，这个想法是一样的，只是前景透镜天体是整个星系或星系团，因此光的偏转是如此之大(几角秒)以至于可以形成一些单独的类星体的像，如图3所示。目前已知大约有二十多个这种引力透镜。随着望远镜以越来越高的灵敏度探索宇宙，天文学家们开始认识到，引力透镜是宇宙中比较常见的特征。

图2：引力透镜。当来自遥远天体的光在视线方向上接近一个星系或星系团时，背景天体(在这里是类星体)的像有时可以分成两个或更多独立的像(A和B)。前景天体就是一个引力透镜。

图3：爱因斯坦十字。(a)"爱因斯坦十字”，一个类星体相互分开只有几角秒的多重像。本图显示了位于中央的星系产生的同一个类星体的四重像。(b)一个简化的艺术图，展示了如果地球在右边，遥远的类星体在左边，这时会发生什么。

这些复合图像的存在给天文学家提供了许多有用的观测工具。首先，前景星系的透镜效应往往会增强类星体的光，像刚才提到的那样，使其更容易被观测。与此同时，星系内单个恒星的微引力透镜可能会导致类星体亮度较大的波动，允许天文学家既研究类星体，又研究星系的恒星成分。通过仔细比较在不同波长处亮度的增加，天文学家可以用其他任何方式所不能达到的尺度去探测类星体吸积盘的结构。

第二，由于不同像的光到我们的路径长度不同，因此在不同的透镜像之间通常存在一个时间延迟，从几天到几年不等这种延迟提供了对有趣事件的预告，比如类星体亮度的突然变化。因此，如果一个像突然变亮，另一个(或另一些)像就也会按时变亮，这就给了天文学家研究这一事件的第二次机会。时间延迟也允许天文学家确定透镜星系的距离。这种方法提供了一种独立于先前讨论的任何技术的测量哈勃常数的替代手段。使用这种方法的研究人员所报告的H_0的平均值为65km/(s·Mpc)。

最后，通过研究背景类星体和星系与前景星系团的引力透镜，天文学家可以更好地了解暗物质在这些星系团中的分布，而这是宇宙大尺度结构中的一个很重要的问题。

02

绘制暗物质地图

天文学家已经将首先从类星体研究中学会的方法扩展到了所有遥远天体的引力透镜上，以便更好地探测宇宙。遥远暗淡的不规则星系——如果目前的理论是正确的，它们就是宇宙的原料——在这里特别令人感兴趣，因为它们比类星体更常见，它们能更好地覆盖天空。通过研究由前景星系团造成的背景类星体和星系的引力透镜，天文学家可以更好地了解暗物质在大尺度上的分布。

图4(a)和图4(b)显示了暗淡的背景星系的像是如何被前景星系团的引力弯曲成弧形的。弯曲程度允许我们测量前景星系团的总质量(包括暗物质的质量)。在图4(b)中可见的(多为蓝色的)环形和弧形特征是一个单个的遥远(看不见的)旋涡或环状星系，由前景星系团(图中的黄色斑点)的引力透镜效应造成的多重像。

图4：星系团引力透镜。(a)这幅壮观的引力透镜的例子显示了来自非常遥远星系的一百多条暗淡的弧线。穿过前景星系团(A2218，距我们大约十亿秒差距)的纤细线条类似于蜘蛛网，但它确实是A2218的引力场——偏折了背景星系的光，扭曲了其外观——造成的幻象。通过对扭曲程度的测量，天文学家可以估计居间星系团的质量。(b)另一星系团，编号是0024+1654，距我们约15亿pc，显示出来的红黄色斑点大多数是正常的椭圆星系，蓝色环状结构是一个单个背景星系的像。

我们甚至可以通过仔细分析背景天体的扭曲而重构出前景天体的暗物质分布，从而提供一个方法，可以获得在尺度上远大于之前方法的物质分布情况。图5是一个重构的地图显示了距一个小星系团(靠近地图中心的最亮的斑点)中心数百万秒差距处有暗物质存在。注意暗物质分布的拉长结构，让人联想到室女座超星系团和在大尺度星系巡天中所看到的纤维状结构。

图5：暗物质地图。图中背景天体测量到的扭曲能显示出宇宙中的暗物质地图。对这一包含小星系团的天区的光学图像(a)的分析揭示了暗物质的分布(b)，以与(a)图同样的比例显示在可见的星系团。

2006年，天文学家利用这些技术获得了可能是暗物质的第一次直接观测证据。图6显示了一个叫作IE0657-56的遥远星系团的光学和X射线合成图像。模糊的红色区域显示了星系团中热的X射线发射气体的位置，这是发光物质的主体。蓝色区域表示了大多数物质实际所在的地方，通过研究该星系团对背景星系的透镜效应而确定。需要注意的是，大部分物质并不以热气体的形式存在，这意味着在星系团中，暗物质的分布不同于“正常”物质。

图6：星系团碰撞。星系团必然也会偶尔发生碰撞，正如这里展示的情形。这个合成的星系团在星表中的编号是没有特色的1E0657-56，名字叫作“子弹星系团”。这是一个距我们约10亿pc的一片区域的合成图像，显示了以白色表示的来自星系本身的可见光，和以红色表示的来自星系团内热气体发射的X射线。蓝色代表推测的两个巨大星系团内的暗物质，它们的位置已明显偏离了两个星系团的正常物质。

对于这个奇怪形状的解释是，我们正在目睹两个星系团之间的碰撞。每个星系团最初的热气体和暗物质都分布在整个系统内，但当两个系统相撞时，每个系统中的气体云的压力便会倾向于让对方停下来，令气体云落后于星系和暗物质前进位置的中心。气体和暗物质之间的分离直接违背了一些被认为已经可以解释星系和星系团的“暗物质问题”的非正统引力理论，这可能会被证明是我们对宇宙大尺度结构认识的关键部分。