星系和暗物質之間有什麼關係？普朗克衛星揭曉了答案

科學家們利用歐空局普朗克衛星記錄的宇宙物質引力在宇宙微波背景上留下的微小扭曲，揭示了類星體（活動星系中明亮的核心）的光度與它們所在更大暗物質「光暈」質量之間的聯繫。這一結果對於我們理解星系如何在宇宙歷史中演化是一個重要的確認。宇宙中大多數星系的核心都有超大/大質量黑洞，其質量是太陽質量的數百萬到數十億倍。這些宇宙怪物中大多數都是「休眠」的，在它們附近幾乎沒有或幾乎沒有活動，但大約有1%被歸類為「活躍」，它們以非常快的速度從周圍環境中吸收物質。

這種吸積過程使黑洞附近物質在電磁光譜中發出明亮的光，使這些活躍的星系或類星體成為宇宙中最亮的光源之一。雖然目前還不清楚是什麼激活了這些黑洞，開啟和關閉了它們強烈吸積的階段，但類星體很可能在調節整個宇宙歷史上星系的演化方面發揮了重要作用。因此，在更大的尺度上理解類星體、它們的宿主星系和環境之間的關係是至關重要。英國赫特福德大學的James Geach最近領導的一項研究中，科學家們將歐洲航天局普朗克任務的數據與迄今為止最大的類星體調查數據結合起來，闡明了這個迷人的話題。

圖示由類星體承載的暗物質暈引起引力偏移。圖片：David Tree, Professor Peter Richardson, Games and Visual Effects Research Lab, University of Hertfordshire

根據宇宙結構形成的主要設想，星系是由宇宙網中密度最大節點中的普通物質形成——這是一個絲狀網路，主要由不可見的暗物質組成，遍布宇宙。反過來，普通物質和暗物質的複雜分布都源於原始宇宙的微小波動，這在宇宙歷史上最古老的光——宇宙微波背景(CMB)中留下了印記。普朗克衛星在2009年至2013年間一直在掃描天空，以繪製出宇宙微波背景輻射最精確的全天空圖，使科學家能夠將我們對宇宙的年齡、膨脹、歷史和內容知識精確到前所未有的水平。

還有更多：正如阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論所預言的那樣，巨大的物體扭曲了它們周圍的時空結構，扭曲了一切經過它們附近物體的路徑，甚至光也不例外。這種現象被稱為引力透鏡，也影響普朗克對宇宙微波背景輻射的測量。宇宙微波背景輻射攜帶著一種大規模物質分布的印記，最古老宇宙光在到達衛星的過程中遇到了這種物質。我們知道星系是在一個看不見的暗物質『腳手架』內形成和演化，不能直接觀察到它，但我們可以利用印在宇宙微波背景上的引力透鏡畸變來了解星系周圍的暗物質結構。

宇宙微波背景的引力透鏡現象。圖片：ESA and the Planck Collaboration

宇宙微波背景輻射的引力透鏡扭曲很小，在大約10分鐘的弧形尺度上重新排列了宇宙微波背景輻射的天空圖像——相當於滿月直徑的三分之一。但是，在統計方法的幫助下，許多來自天空的微小偏轉可以結合起來，獲得更強信號，將圍繞許多類星體收集的數據堆積起來。在他們的研究中，Geach及其同事分析了普朗克團隊獲得的最新引力透鏡圖，該團隊於2018年作為普朗克遺產發布的一部分公開，結合從有史以來最大樣本中抽取的20萬個類星體 。

通過結合普朗克衛星數據和如此大的類星體樣本，可以測量類星體宿主星系所在暗物質暈的質量，並研究不同亮度類星體的質量如何變化。分析表明，類星體的亮度越高，其暗物質暈的質量就越大。這是一個令人信服的證據，表明類星體的亮度、在超大質量黑洞附近釋放的能量(這一區域可能會持續數天的時間)和圍繞著它的暗物質光暈及其周圍環境質量之間存在相關性，這些光環圍繞類星體延伸了數千萬光年。使用宇宙微波背景作為一種對宇宙的『背光』，背光已經被前景物質引力透鏡化。

因此通過將星系與普朗克透鏡映射相關聯，就有了一種研究星系及其演化的新方法。這一發現支持了類星體形成的理論模型，該模型預測了類星體的光度與暈質量之間的相關性，尤其是對於最明亮的類星體，那裡的黑洞正在以接近最大速率吸收物質。這項研究集中在遙遠的類星體上，這些類星體是在宇宙大約40億年的時候被觀測到，大約是目前將近138億年類星體年齡的三分之一。這接近超大質量黑洞增長的頂峰時期。結合未來更深入的類星體研究。

普朗克衛星數據可以使科學家們把這些研究推到宇宙歷史上更早的時期，直到第一個類星體形成的時代。歐洲航天局普朗克項目科學家簡·陶伯(Jan Tauber)說：這個結果顯示了普朗克引力透鏡測量的威力，這使我們有可能測量星系形成和演化過程中暗物質的隱形結構。普朗克衛星的遺產是相當驚人的，數據被用於比最初設想的更廣泛的科學應用。其研究成果由J. E. Geach等人發在《天體物理學》第874卷第1期上。

圖示由類星體承載的暗物質暈引起引力偏移。圖片：David Tree, Professor Peter Richardson, Games and Visual Effects Research Lab, University of Hertfordshire

博科園-科學科普｜研究/來自: 歐洲航天局

參考期刊文獻:《天體物理學》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab0894

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