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物理学家惊喜发现:集群内光可能提供一种测量暗物质的新方法

2021-12-02 13:50:08来源:

左侧是模拟图像,其中可见到群集内的光,这是离散的亮度峰(星系)之间的弥散雾度。在观察中,如右图所示,该集群内光分量在很大程度上被噪声淹没。

观测数据和复杂的计算机模拟相结合,在已经停滞了半个世纪的天体物理学领域取得了进步。由美国能源部费米国家加速器实验室主持的“暗能量调查”已经发布了有关星团内部光(ICL)(星系团内部发现的一种微弱类型的光)的一系列新结果。

新的,精确的ICL测量的首次爆发出现在2019年4月的《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)上发表的一篇论文中。另一个出现在最近的《皇家天文学会月报》上。DES物理学家惊讶地发现了后者,他们发现了新的证据,即ICL可能提供一种测量神秘物质暗物质的新方法。

ICL的来源似乎是流氓恒星,这些流星不是在重力作用下与任何星系绑定的。长期以来,人们一直怀疑ICL可能是星系团的重要组成部分,但是它的模糊性使其难以测量。没有人知道它在星系团中扩散了多少,扩散到什么程度。

“观察到,我们确认了簇内光是暗物质的很好的径向示踪剂。这意味着在簇内光相对较亮的地方,暗物质相对较密。”主持这两项研究的费米实验室科学家张元元说。“仅测量ICL本身就非常令人兴奋。暗物质部分是加分。”

尽管暗物质是看不见的,但它却是宇宙中大部分物质的原因。暗物质是现代宇宙学的主要奥秘之一。科学家只知道它与控制日常生活的质子,中子和电子组成的正常物质有很大的不同。

但是,ICL并不是最初的问题,而是最初在研究小组的议程中。大多数天体物理学家在星系团的中心测量团簇内的光线,那里是最亮和最丰富的。

张说:“我们离星系团的中心很远,那里的光线真的很微弱。”“而且我们离中心越远,测量就越困难。”

尽管如此,DES合作者还是设法摆脱了有史以来最径向扩展的ICL测量。

该团队使用弱引力透镜比较了ICL的径向分布(即从群集中心到整个距离的变化)与星系团质量的径向分布。弱透镜是测量星系或星团质量的一种对暗物质敏感的方法。当前景恒星或星团的引力使来自更遥远星系的光线弯曲,从而扭曲其外观时,就会发生这种情况。

观察发现,ICL既反映了星系团的总可见质量的分布,也可能反映了不可见暗物质的分布。

新论文的主要作者希里森·桑帕约·桑托斯(Hillysson Sampaio-Santos)说:“我们没想到在这些径向分布之间会发现如此紧密的联系,但我们做到了。”

将观察结果与模拟结果进行比较

为了获得更多的见解,该团队使用了复杂的计算机模拟来研究ICL和暗物质之间的关系。他们发现模拟中两种现象之间的径向轮廓与观测数据不一致。在模拟中,“ ICL径向剖面不是追踪暗物质的最佳成分,”巴西里约热内卢国家天文台的Sampaio-Santos说。

Zhang指出,现在要确切指出是什么原因导致观察与模拟之间的冲突还为时过早。

“如果模拟做得不好,那可能意味着模拟的集群内光产生的时间与观察到的时间略有不同。模拟的星星没有足够的时间四处游荡并开始追踪暗物质。”她说。

桑帕约·桑托斯(Sampaio-Santos)指出,进一步的ICL研究可能会深入了解星系团内部发生的动力学,包括在重力作用下释放其某些恒星并使其徘徊的相互作用。

他说:“我正计划研究集群内部的光线以及放松的影响。”例如,某些群集已合并在一起。与放松的群集相比,这些合并的群集应具有不同的ICL属性。

增强嘈杂数据集中的信号

该小组测得的ICL大约是DES科学家通常尝试的ICL的一百到一千倍。这意味着团队必须处理信号中的大量噪声和污染。

张说,这一壮举的技术方面具有挑战性,“但是,由于我们从暗能量调查中获得了大量数据,因此我们能够消除很多噪声以进行此类测量。统计平均值。”

天体物理学家通常一次使用几个星系团进行ICL测量。

张说:“这是获取有关个体系统信息的好方法。”

为了获得更大的前景并消除噪音,DES小组在第一个研究中统计了平均约300个星系团,而在第二个研究中则对500个星团进行了平均。所有这些都离地球只有几十亿光年。

从每个群集的噪声中提取信号会占用大量数据,这正是DES生成的数据。在2019年初,DES完成了六年的任务,观测南部天空上亿万个遥远的星系,并于1月中旬公开发布了第二份数据。

ICL测量可探测距离地球多达33亿光年的星团。在未来的研究中,Zhang想研究ICL的红移演变-它是如何随着宇宙时间而变化的。

张说:“我的梦想是一路重新转移一个100亿光年。”“研究表明,这是ICL刚刚开始发展的时候。”

走得那么远,将使科学家能够看到随着时间的推移ICL的建立。

她说:“但这确实很难,因为它是我们最新测量距离的三倍,所以那里的一切都将变得极其微弱。”

参考:

“弥散的团簇内光是星系团物质分布的良好示踪剂吗?”作者:H·桑帕约·桑托斯(H Sampaio-Santos),张瑜(Yhang),奥卡多(RLC Ogando),申信(T Shin),杰西·B·金·马克思(Gyan-Marx),B·扬尼(B Yanny),K·赫纳(K Herner),M希尔顿(Hilton),崔(A Choi),马·加蒂(M Gatti),D格鲁恩(D Gruen),B·霍伊尔(B Hoyle),MM劳(MM Rau),德·维森特(J De Vicente) Zuntz,TMC Abbott,M Aguena,S Allam,J Annis,S Avila,E Bertin,D Brooks,DL DL Burke,M Carrasco Kind,J Carretero,C Chang,M Costanzi,LN da Costa,HT Diehl,P Doel,S埃弗里特(Everett),埃弗拉德(AE Evrard),弗洛尔(B Flaugher),福萨尔巴(P Fosalba),弗里曼(J Frieman),加西亚·贝利多(JGarcía-Bellido),埃加兹塔纳加(E Gaztanaga),DW格德斯(Grudes),RA格伦德尔(R Gruendl),杰斯文德(J Gschwend),古蒂雷斯(G Gutierrez),SR辛顿(Shinton),DL霍洛伍德(DL Hollowood),霍克斯切德(K Honscheid),DJ詹姆斯(James),M贾维斯(M Jarvis),T Jeltema,K Kuehn,N Kuropatkin,O Lahav,MAG Maia,M March,JL Marshall,R Miquel,A Palmese,FPaz-Chinchón,AA Plazas,E Sanchez,B Santiago,V Scarpine,M Schubnell,M Smith,E Suchyta,G Tarle,DL Tucker,TN Varga,RH Wechsler(DES合作),2020年11月26日,皇家天文学会月报。
10.1093 / mnras / staa3680

“第一年的黑暗能源调查结果:Y. Zhang,B。Yanny,A。Palmese,D。Gruen,C。To,ES Rykoff,Y。Leung,C。Collins,M。Hilton,TMC Abbott,J。在Redshift〜0.25“处检测到集群内光。 Annis,S.Avila,E.Bertin,D.Brooks,DL DL Keke,A.Carnero Rosell,M.Carrasco Kind,J.Carretero,CE Cunha,CB D'Andrea,LN da Costa,J.De Vicente,S。 Desai,HT Diehl,JP Dietrich,P.Doel,A.Drlica-Wagner,TF Eifler,AE Evrard,B.Flaugher,P.Fosalba,J.Frieman,J.García-Bellido,E.Gaztanaga,DW Gerdes Gruendl,J.Gschwend,G.Gutierrez,WG Hartley,DL Hollowood,K.Honscheid,B.Hoyle,DJ James,T.Jeltema,K.Kuehn,N.Kuropatkin,TS Li,M.Lima,MAG Maia,M 3月,JL Marshall,P。Melchior,F。Menanteau,CJ Miller,R。Miquel,JJ Mohr,RLC Ogando,AA广场,AK Romer,E.Sanchez,V。Scarpine,M。Schubnell,S。Serrano,I塞维利亚·诺亚比(Sevilla-Noarbe),史密斯(M. Smith),苏亚雷斯·桑托斯(M. Soares-Santos),索布雷拉(S. (DES合作),2019年4月4日,《天体物理学杂志》。
10.3847 / 1538-4357 / ab0dfd