子弹星系团暗物质研究持续推进成果显著
子弹星系团中的暗物质研究已开展二十余年
首个通过实证揭示暗物质存在的碰撞星系团，至今已被发现20年。以下是它为何能巩固暗物质存在的原因。
子弹星系团是星系团碰撞的余波，该碰撞发生在约37亿光年外的太空区域，是暗物质存在的极强证据。引力效应（蓝色，通过引力透镜重建）与大部分正常物质所在位置（粉色，由钱德拉X射线能力揭示）的分离，若没有暗物质的存在，是很难解释的。来源：NASACXCM韦斯
一篇开创性论文发表，绘制出碰撞星系团对（即子弹星系团系统）中的热X射线气体及其引力效应分布。 这篇题为《暗物质存在的直接经验证明》的论文，展示了引力效应与大部分普通物质位置的分离，验证了暗物质假说。 此后，暗物质的反对者提出了许多可能动摇暗物质假说的潜在情景，但所有这些都被后续数据证伪。以下是暗物质为何仍是唯一有效解释的原因。
在宇宙学研究进程中，关于宇宙的认知曾发生过一次意想不到的转折：当时暗物质的存在在宇宙这个天然实验室中得到了实证——要么引力定律有误，需要在大尺度宇宙范围内进行修正；要么存在一种缺失的成分，它真实存在且具有引力效应，却难以被直接探测到。
第二种被称为暗物质的解释最初更受青睐，因为加入这一种成分就能解释各种尺度上观测到的所有物理现象，而修改引力则需要针对不同尺度进行不同的调整。然而，一项直接对比测试的出现彻底改变了这一局面。当两个星系团碰撞时，内部的普通物质——主要以气体形式存在——会相互作用、产生摩擦、升温并发出X射线。但如果存在暗物质，它会不受阻碍地穿过，引力透镜效应会揭示它对这些星系团质量的贡献。
自首个碰撞星系团——子弹星系团的X射线和引力透镜效应被同时测量以来，已经过去20年了。它为暗物质的存在提供了极其有力的证据，被赞誉为暗物质的首个直接实证。此后多年间，暗物质的解释多次受到挑战，但每次挑战都以惨败告终。以下是如今大家需要了解的相关内容。
子弹星系团的这张图像展示了来自哈勃太空望远镜和智利麦哲伦望远镜的光学数据，揭示了星系团内部恒星和星系的存在，以及主星系团后方一系列模糊、更远的背景星系。图片来源：NASASTScI；麦哲伦望远镜亚利桑那大学D。Clowe等人。
你在上方看到的是子弹星系团的一个不常见视图：这是仅由哈勃太空望远镜和地面麦哲伦望远镜拍摄的光学图像。这张看似遥远星系的深空视图，仔细观察会发现内容更丰富一些。图像的顶部和底部似乎有几串星系，图像中下部偏左有一大群星系，而中右部则有一小群密集的星系。位于中心左右两侧的这两群主要星系格外有趣，因为它们的红移值相同，这表明与图像中的大多数其他星系不同，它们在三维空间中实际上是彼此靠近的。
根据大尺度结构的模拟，这种现象在宇宙中应该会经常发生：像星系团这样的大质量天体往往会在彼此不太远的地方形成，经过数十亿年，它们之间的相互引力会将彼此拉向对方。在某个时刻，这些星系团会相遇并碰撞。当它们碰撞时，如果不存在暗物质，那么星系团的大部分质量——由星系间空间中的气体和等离子体组成——将与碰撞中物质受热产生的X射线辐射位置重合。但如果存在暗物质，那么我们应该能看到X射线（仅追踪普通物质）和通过引力透镜推断出的质量分布（应该由暗物质主导）之间存在明显的分离。
这张图展示了与前一张图像相同的子弹星系团光学数据，但叠加了粉色的X射线数据。可以看到，星系团内的大部分气体已从两个主要星系团中被剥离出来，进入星系团之间的空间，在那里它们因气体碰撞而受到冲击、减速并被加热。中央（较大的）区域温度达到约1亿开尔文，而右侧受冲击的（较小的）团块温度约为7000万开尔文。 图片来源：NASACXCCfAM。Markevitch等人；光学数据：NASASTScI；麦哲伦望远镜亚利桑那大学D。Clowe等人。
这就是为什么这些联合观测如此重要：它们能够区分这两种关键情景。当星系团发生碰撞时，由于其巨大的质量，它们会以超过一千甚至高达数千千米每秒的速度相对快速运动。尽管星系本身很大，但星系团内星系之间的空间要大得多。这三个组成部分的表现都会彼此不同。
已知星系团内的气体和等离子体质量约为其中单个星系总质量的七倍，因此绘制引力透镜效应的分布图至关重要。如果这些质量与X射线气体重合，引力透镜效应就会与X射线的位置一致；如果这些质量反而以暗物质的形式存在，透镜效应就会与星系的位置一致，而不是与X射线重合。这是一个清晰、简单、直接的测试。
下图中以蓝色显示的引力透镜图具有立竿见影的决定性作用。
这张复合图像展示了子弹星系团的光学数据、揭示热气体（粉色）的X射线数据（这些热气体代表大部分普通物质）以及通过引力透镜效应重建的引力效果（蓝色）。引力透镜信号出现在大部分普通物质（粉色）所在位置之外这一事实，是支持暗物质存在的非常有力的实证。图片来源：NASACXCCfAM。Markevitch，光学及透镜图：ESOWFI
你的眼睛能直观感受到数据更充分显示的内容：发出X射线（粉色部分）的普通物质，既落后于左右两侧的两个主要星系团，也落后于引力透镜信号（蓝色部分）。暗物质的解释得到了数据的验证，而修正引力的解释则与我们观测到的结果不一致。对大多数天文学家和天体物理学家来说，这成为了替代引力理论的致命一击，因为来自宇宙自然实验室的这项直接测试似乎通过直接观测数据解决了这个问题。
案件已结
事实果真如此吗？那些支持主流理论替代方案——修正引力解释——的人提出了许多反对意见和潜在的替代理论。有趣的是，其中一种替代理论假定，在非常大的宇宙尺度上，引力实际上是非局域理论：也就是说，引力效应会出现在没有质量的地方。这方面的主要方案由约翰莫法特提出，提出时间与子弹星系团实证证据发布的年份相同。莫法特认为，他的理论可以解释物质位置与观测到的引力效应之间的这种不匹配。
但如果这种解释是正确的，那么就有可能通过以下方式对它们进行测试：
寻找彼此靠近但尚未合并的星系团，并将它们的透镜图与已经相互碰撞的星系团的透镜图进行比较。
在此处，星系团MACSJ0416。12403并未处于碰撞过程中，而是一个非相互作用的不对称星系团。它还会发出柔和的星系团内光，这种光是由不属于任何单个星系的恒星产生的，有助于揭示正常物质的位置和分布。引力透镜效应与物质共定位，这表明修改引力的非局域选项不适用于此类天体。星系团内部包含各种小规模结构，从黑洞到行星再到恒星形成气体等等。 图片来源：NASA、ESA及新南威尔士大学的M。Montes
如果这种对引力的修正正确，那么两类系统——碰撞前星团和碰撞后星团——在星系以及气体等离子体上都会表现出相同的非局域效应。碰撞前星团不存在非局域引力效应，那么如果引力定律在各处都相同，我们怎么会在碰撞后星团中看到非局域效应呢？
答案是：我们不能，如果我们希望我们的理论自洽的话。这就排除了引力理论中的非局域选项。
那其他替代方案呢？另一种可能性是，存在由所考虑的引力系统外部的场引起的引力效应：这就是所谓的外场效应。尽管这主要被用于解释低质量星系的行为，但有些人试图用这个概念来论证它可能导致子弹星系团中观察到的引力效应。然而，在物理学中进行所谓的合理性检验很重要，要确保外场效应——有时被用来解释所谓的重子塔利费希尔关系——确实具有普遍性，并且适用于其特定类别中的所有星系。如果不是这样，那么它根本不能成为一条普遍定律。
在广泛的质量范围内，星系都遵循一种被称为重子塔利费希尔关系的规律，其中观测或推断的旋转速度仅由正常物质经验性地决定，与暗物质无关。正如橙色星标所示，存在一类不遵循这一规则的星系，这为一种本质上不同的星系群体提供了强有力的证据：一组不含有暗物质、遵循灰线规律的星系。来源：P。E。ManceraPiña等人，《天体物理学杂志通讯》
之前，我们发现了一类新的星系，称为超弥散矮星系：这类星系中恒星的内部运动似乎表明整个星系几乎不含暗物质。这些星系既不遵循外场效应预测的关系，也不遵循重子塔利费希尔关系，这表明此类效应并非普遍存在。同样，尽管其支持者可能会反对，但如果这种关系并非普遍存在，那么就没有理由认为它可以应用于像子弹星系团这样的系统来解释所观测到的现象。
总是有其他可能性需要考虑，比如准线性MOND（即QUMOND）。虽然埃尔南德斯证明了很难排除QUMOND作为子弹星系团的一种解释，但目前尚不清楚QUMOND能否像包含暗物质的爱因斯坦广义相对论那样，很好地解释安静、孤立的星系团的透镜信号；相关研究尚未开展。
星系团的质量可以通过现有的引力透镜数据重建。大部分质量并非存在于单个星系内部（此处显示为峰值），而是存在于星系团内的星际介质中，暗物质似乎就驻留于此。更精细的模拟和观测也能揭示暗物质的亚结构，相关数据与冷暗物质的预测高度一致。目前尚不清楚是否有任何引力修正理论（如QUMOND）能够在不破坏对更大尺度（宇宙）或更小尺度（星系）观测结果解释的前提下，解释这些观测现象。
同样值得注意的是，子弹星系团只是同类中的第一个
如果我们能观测到处于碰撞后不同演化阶段的星系团碰撞现象，那么仅通过修改引力定律来解释这一点就会变得更加困难。在暗物质存在的情况下，这就非常合理了——它们的运动方式与星系相对于该气体的运动方式相同。有时它们会重叠；有时则会相距甚远。
许多这类碰撞星系团系统的几何结构已通过光学、X射线和引力透镜手段被绘制出来，且往往十分详尽。
这幅四格图片展示了阿贝尔2744（潘多拉星系团）内的各个星系，以及钱德拉望远镜的X射线数据（红色）和由引力透镜数据构建的透镜图（蓝色）。正如在多种发射X射线的星系团中所显示的那样，X射线与透镜图之间的不匹配是支持暗物质存在的最有力证据之一。子弹星系团以及其他星系团也表现出类似的特征。图片来源NASACXCITAINAFJ。Merten等人，透镜图NASASTScIR。Dupke；图片制作E。Siegel
除了上面所示的阿贝尔2744之外，其他例子还包括：
不过，修正引力理论的支持者反对用暗物质解释子弹星系团（及其他星系团）的最常见论点是：这些星系团的碰撞速度大约在5400千米秒左右，而这一速度超过了在爱因斯坦广义相对论框架下、富含暗物质的宇宙学模型所预测的数值——在该模型中，星系团碰撞速度通常最多在4000千米秒左右。
这是一个严肃的异议，长期以来被多次提出。许多其他显示X射线发射与推断质量分离的碰撞星系团也显示出初始碰撞速度很高的证据，不过子弹星系团仍然是速度最快的。
暗物质解释存在什么缺陷吗？
这会不会是有其他因素真正在起作用的证据呢？
这值得我们思考并认真对待。不过，我们必须认识到，我们发现大多数这类碰撞星系团的方法是通过绘制X射线和透镜数据，并寻找那些几乎沿我们视线方向发生碰撞的星系对之间的分离现象。
翻译：AI
审核：天文志愿文章组-
终审：天文志愿文章组-零度星系
排版：天文志愿文章组-零度星系
美观：天文志愿文章组-
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自： https://bigthink.com/starts-with-a-bang/dark-matter-bullet-cluster-595214/
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全文排版：天文在线(零度星系)
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