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双星系让哈勃天文学家感到困惑——“我们很困惑”

这张哈勃太空望远镜拍摄的照片显示了嵌入一组星系中的遥远星系的三张放大图像。 这些图像是由一种称为引力透镜的自然技巧产生的。 星系团的巨大引力放大并扭曲了来自其后方遥远星系的光,从而产生了多个图像。 该星系团被归类为 SDSS J223010.47-081017.8,距离地球 70 亿光年。 哈勃观测到了许多带有引力透镜的星系。 但是,这张哈勃快照中捕获的图像是独一无二的。 右下方的云彩中显示的两张放大图像是彼此的精确副本。 两个明亮的椭圆形是银河系的中心。 这种罕见现象的发生是因为背景星系是空间结构中的涟漪。 由于大量暗物质的吸引力,这种“涟漪”是一个膨胀更大的区域,暗物质是构成宇宙大部分质量的无形胶水。 当来自遥远星系的光沿着这个涟漪穿过星团时,会产生两个镜像,以及可以从侧面看到的第三个图像。 第三张图像的特写显示在右上角的云中。 这张图片与距离超过 110 亿光年的遥远星系非常相似。 基于对这张图像的重建,研究人员确定遥远的星系似乎是一个锯齿形螺旋,具有连续的星团形成。 镜像以发现它们的天文学家的“汉密尔顿天体”命名。 图片来源:Joseph DePasquale (STScI)

凝视宇宙就像在看一个有趣的房子的镜子。 这是因为重力扭曲了空间结构,造成了视觉错觉。

当遥远星系的光穿过它前面的一个大质量星系或星系团时,它的光被放大、拉伸和变亮时,就会出现许多这种视错觉。 这种称为引力透镜效应的现象会产生背景星系的多个延伸的明亮图像。

这种现象使天文学家能够研究如此遥远的星系,以至于只能通过引力透镜的影响才能看到它们。 挑战在于试图从透镜产生的奇怪形状中重建遥远的星系。

但天文学家使用 哈勃太空望远镜 我在分析类星体时偶然发现了这种奇怪的形状,类星体是活动星系的阴燃核心。 他们发现了两个明亮的线性物体,它们似乎是彼此的镜像。 另一个奇怪的存在就在附近。

这些特征让天文学家非常困惑,以至于他们花了几年时间才解开谜团。 在两名引力透镜专家的帮助下,研究人员确定这三个物体是一个遥远的、未被发现的星系的扭曲图像。 但最大的惊喜是这些线性天体是彼此精确的副本,这是由背景星系与其前景透镜组的精确对准引起的罕见事件。

地球上空的哈勃太空望远镜

显示地球上空的哈勃太空望远镜的 3D 动画。 图片来源:ESA/Hubble (M. Kornmesser & LL Christensen)

天文学家已经看到一些非常奇怪的东西散布在我们广阔的宇宙中,从爆炸的恒星到碰撞的星系。 所以,你可能会认为,当他们看到一个奇怪的天体时,他们就能认出它。

美国宇航局哈勃太空望远镜发现了一对看起来相似的物体,如此奇怪,天文学家花了几年时间才确定它们是什么。

“我们真的很困惑,”俄亥俄州朴茨茅斯肖尼州立大学的天文学家蒂莫西·汉密尔顿说。

不明飞行物由一对星系凸起(星系中充满恒星的中心轴)和至少三个独立的平行线组成。 汉密尔顿在使用哈勃望远镜调查一组类星体时偶然发现了它们,这些类星体是活动星系的阴燃核心。

在追寻死胡同、向同事求助、摸爬滚打之后,汉密尔顿和夏威夷大学希洛分校的理查德·格里菲斯带领的不断壮大的团队,终于拼凑出所有的线索来解开这个谜团。

线性物体是一个遥远星系的拉伸图像,带有引力透镜,距离超过 110 亿光年。 它们似乎是彼此相同的图像。

研究小组发现,星系前景中一组重叠且未合并的星系的巨大引力会扭曲、放大、增亮和扩展其后方遥远星系的空间,这种现象称为引力透镜。 尽管哈勃望远镜的调查揭示了许多由引力透镜引起的镜子和镜子扭曲,但这个物体一直是独一无二的神秘。

在这种情况下,背景中的星系和前景中的星系团之间的微妙对齐会导致遥远星系相同图像的两个放大副本。 这种罕见现象的发生是因为背景星系是空间结构中的涟漪。 这个“涟漪”是一个膨胀更大的区域,这是由于大量暗物质的吸引力,暗物质是构成宇宙大部分质量的无形粘合剂。 当来自遥远星系的光沿着这个涟漪穿过星团时,会产生两个镜像,以及可以从侧面看到的第三个图像。

Griffiths 将这种效果与在游泳池底部看到的明亮波浪图案进行了比较。 “想想在阳光明媚的日子里,游泳池的起伏表面,在游泳池底部显示出明亮的光线模式,”他解释道。 底部的这些明亮图案是由类似类型的引力透镜效应引起的。 表面上的波纹充当部分透镜,将阳光聚焦到下面闪亮的锯齿形图案上。”

在一个带有引力透镜的遥远星系中,涟漪会放大和扭曲来自背景星系穿过星团的光。 波纹就像一面不完全弯曲的镜子,产生双工。

解决难题

但当汉密尔顿在 2013 年发现奇怪的线性特征时,这种罕见的现象并不为人所知。

当他凝视类星体的图像时,反射图像和平行线的镜头出现了。 汉密尔顿以前从未见过类似的东西,其他任何团队成员也没有见过。

“我的第一个想法是,它们可能是在以尖尖的方式伸出双臂与星系互动,”汉密尔顿说。 “它真的不合适,但我也不知道该怎么想。”

因此,汉密尔顿和团队开始寻求解开这些令人费解的直线之谜,这些直线后来被他们的发现者称为“汉密尔顿天体”。 他们在天文学会议上向同事展示了这张奇怪的图像,引起了从宇宙弦到行星状星云的各种反应。

但是,当汉密尔顿在 2015 年美国宇航局会议上向他展示这张照片时,格里菲斯并不是最初团队的成员,他给出了最合理的解释。这是一张放大、扭曲的图像,由类似于在哈勃。 其他巨大的星系团图像放大了非常遥远星系的图像。 当格里菲斯在哈勃对深星系团的调查中了解到一个类似的线性物体时,他证实了这个想法。

然而,研究人员仍然面临一个问题。 他们无法确定镜片质量。 通常,研究星系团的天文学家首先看到引起反射的前景星系团,然后找到星系​​团内遥远星系的放大图像。 搜索斯隆数字巡天的图像发现与放大图像位于同一区域的星系团,但它们没有出现在任何索引调查中。 然而,奇怪的图像位于一个星团的中心这一事实让格里菲斯清楚地知道该星团正在产生透镜状图像。

研究人员的下一步是确定这三幅图像是否是在相同距离上拍摄的,因此都是同一个遥远星系的扭曲图像。 夏威夷双子座天文台和 WM Keck 天文台的光谱测量帮助研究人员证实了这一断言,表明这些图像来自距离超过 110 亿光年的星系。

遥远的星系,基于镜头重建的第三幅图像,看起来像一个锯齿状的漩涡,有连续的块状恒星形成。

大约在格里菲斯和希洛大学本科生进行光谱观测的同时,芝加哥的另一组研究人员使用斯隆数据确定了质量并测量了距离。 该星团距离地球超过 70 亿光年。

但是由于关于星团的信息如此之少,格里菲斯的团队仍在努力解释如何解释这些不寻常的透镜形状。 “这种引力透镜与哈勃之前研究过的大多数透镜非常不同,特别是在哈勃前沿场对星团的调查中,”格里菲斯解释说。 “你不必盯着那些星团太久就可以找到很多镜头。在这个物体中,这是我们唯一的镜头。我们一开始甚至不知道这个星团。”

隐形映射

就在那时,格里菲斯联系了引力透镜理论的专家,德国海德堡大学的珍妮·瓦格纳。 瓦格纳研究了类似的物体,他与现在在英国曼彻斯特大学的同事 Nicholas Tessur 一起开发了一个计算机程序来解释这些独特的镜头。 他们的软件帮助团队发现这三幅图像是如何用镜头呈现的。 他们得出结论,扩展图像周围的暗物质应该在空间中以小尺度“平滑”分布。

瓦格纳说:“我们只需要两个镜像就可以衡量暗物质在这些位置的块状程度,这真是太好了。” “在这里,我们没有使用任何镜头模型。我们只是从多张图像中观察到的东西以及它们可以相互转换的事实。它们可以通过我们的方法折叠在一起。这确实给了我们一个想法暗物质在这两个位置上的平滑度如何。”

格里菲斯说,这一发现很重要,因为在暗物质被发现近一个世纪之后,天文学家仍然不知道它是什么。 我们知道它是物质的一种形式,但我们不知道粒子是由什么组成的。 所以我们根本不知道他的行为。 我们只知道它有质量并受重力影响。 团聚或平滑度中尺寸限制的重要性在于它们为我们提供了一些关于粒子是什么的线索。 暗物质越小,粒子的质量就应该越大。”

团队论文发表于 9 月刊 英国皇家天文学会月刊.

参考:“汉密尔顿的天体——一个沿着银河群的腐蚀性重力延伸的星系团:暗物质集群的约束”,作者:Richard E. Griffiths、Mitchell Rudisel、Jenny Wagner、Timothy Hamilton、Bo Chih Huang 和 Caroline Felforth,5 月 17 日, 2021, 英国皇家天文学会月刊.
DOI:10.1093/mnras/stab1375

哈勃太空望远镜是美国宇航局和欧洲航天局 (ESA) 之间的国际合作项目。 该望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心操作。 位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所 (STScI) 进行哈勃科学操作。 STScI 由位于华盛顿特区的天文学大学联盟为 NASA 运营

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