星系和暗物质之间有什么关系？普朗克卫星揭晓了答案

博科园 2019-04-19

科学家们利用欧空局普朗克卫星记录的宇宙物质引力在宇宙微波背景上留下的微小扭曲，揭示了类星体（活动星系中明亮的核心）的光度与它们所在更大暗物质“光晕”质量之间的联系。这一结果对于我们理解星系如何在宇宙历史中演化是一个重要的确认。

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宇宙中大多数星系的核心都有超大/大质量黑洞，其质量是太阳质量的数百万到数十亿倍。这些宇宙怪物中大多数都是“休眠”的，在它们附近几乎没有或几乎没有活动，但大约有1%被归类为“活跃”，它们以非常快的速度从周围环境中吸收物质。

这种吸积过程使黑洞附近物质在电磁光谱中发出明亮的光，使这些活跃的星系或类星体成为宇宙中最亮的光源之一。虽然目前还不清楚是什么激活了这些黑洞，开启和关闭了它们强烈吸积的阶段，但类星体很可能在调节整个宇宙历史上星系的演化方面发挥了重要作用。因此，在更大的尺度上理解类星体、它们的宿主星系和环境之间的关系是至关重要。英国赫特福德大学的James Geach最近领导的一项研究中，科学家们将欧洲航天局普朗克任务的数据与迄今为止最大的类星体调查数据结合起来，阐明了这个迷人的话题。

图示由类星体承载的暗物质晕引起引力偏移。图片：David Tree, Professor Peter Richardson, Games and Visual Effects Research Lab, University of Hertfordshire

根据宇宙结构形成的主要设想，星系是由宇宙网中密度最大节点中的普通物质形成——这是一个丝状网络，主要由不可见的暗物质组成，遍布宇宙。反过来，普通物质和暗物质的复杂分布都源于原始宇宙的微小波动，这在宇宙历史上最古老的光——宇宙微波背景(CMB)中留下了印记。普朗克卫星在2009年至2013年间一直在扫描天空，以绘制出宇宙微波背景辐射最精确的全天空图，使科学家能够将我们对宇宙的年龄、膨胀、历史和内容知识精确到前所未有的水平。

还有更多：正如阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论所预言的那样，巨大的物体扭曲了它们周围的时空结构，扭曲了一切经过它们附近物体的路径，甚至光也不例外。这种现象被称为引力透镜，也影响普朗克对宇宙微波背景辐射的测量。宇宙微波背景辐射携带着一种大规模物质分布的印记，最古老宇宙光在到达卫星的过程中遇到了这种物质。我们知道星系是在一个看不见的暗物质‘脚手架’内形成和演化，不能直接观察到它，但我们可以利用印在宇宙微波背景上的引力透镜畸变来了解星系周围的暗物质结构。

宇宙微波背景的引力透镜现象。图片：ESA and the Planck Collaboration

宇宙微波背景辐射的引力透镜扭曲很小，在大约10分钟的弧形尺度上重新排列了宇宙微波背景辐射的天空图像——相当于满月直径的三分之一。但是，在统计方法的帮助下，许多来自天空的微小偏转可以结合起来，获得更强信号，将围绕许多类星体收集的数据堆积起来。在他们的研究中，Geach及其同事分析了普朗克团队获得的最新引力透镜图，该团队于2018年作为普朗克遗产发布的一部分公开，结合从有史以来最大样本中抽取的20万个类星体。

通过结合普朗克卫星数据和如此大的类星体样本，可以测量类星体宿主星系所在暗物质晕的质量，并研究不同亮度类星体的质量如何变化。分析表明，类星体的亮度越高，其暗物质晕的质量就越大。这是一个令人信服的证据，表明类星体的亮度、在超大质量黑洞附近释放的能量(这一区域可能会持续数天的时间)和围绕着它的暗物质光晕及其周围环境质量之间存在相关性，这些光环围绕类星体延伸了数千万光年。使用宇宙微波背景作为一种对宇宙的‘背光’，背光已经被前景物质引力透镜化。

因此通过将星系与普朗克透镜映射相关联，就有了一种研究星系及其演化的新方法。这一发现支持了类星体形成的理论模型，该模型预测了类星体的光度与晕质量之间的相关性，尤其是对于最明亮的类星体，那里的黑洞正在以接近最大速率吸收物质。这项研究集中在遥远的类星体上，这些类星体是在宇宙大约40亿年的时候被观测到，大约是目前将近138亿年类星体年龄的三分之一。这接近超大质量黑洞增长的顶峰时期。结合未来更深入的类星体研究。

普朗克卫星数据可以使科学家们把这些研究推到宇宙历史上更早的时期，直到第一个类星体形成的时代。欧洲航天局普朗克项目科学家简·陶伯(Jan Tauber)说：这个结果显示了普朗克引力透镜测量的威力，这使我们有可能测量星系形成和演化过程中暗物质的隐形结构。普朗克卫星的遗产是相当惊人的，数据被用于比最初设想的更广泛的科学应用。其研究成果由J. E. Geach等人发在《天体物理学》第874卷第1期上。