NASA的Roman將深入宇宙“透鏡”以更好地定義暗物質(zhì) _美國(guó)

據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（克萊爾·布魯姆）：愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)的一種奇特的效應(yīng)，稱(chēng)為引力透鏡效應(yīng)——當(dāng)一個(gè)前景星系放大其背后更遙遠(yuǎn)的星系時(shí)——很快就會(huì)在美國(guó)國(guó)家航空航天局的南希·格雷斯羅馬太空望遠(yuǎn)鏡于2027年開(kāi)始科學(xué)操作并對(duì)宇宙進(jìn)行大規(guī)模調(diào)查時(shí)變得普遍。

這張圖片顯示了美國(guó)國(guó)家航空航天局南希·格雷斯·羅馬太空望遠(yuǎn)鏡的模擬觀測(cè)，并覆蓋了其廣域儀器的視場(chǎng) 。在羅曼的每一次大規(guī)模觀測(cè)中，預(yù)計(jì)都會(huì)出現(xiàn)20多個(gè)引力透鏡，左右兩側(cè)都有例子。密蘇里州圣路易斯華盛頓大學(xué)研究生布萊斯·韋迪格（Bryce Wedig）領(lǐng)導(dǎo)的一篇期刊論文估計(jì) ，在這些羅馬探測(cè)器中，來(lái)自望遠(yuǎn)鏡高緯度廣域調(diào)查的約500個(gè)將適用于暗物質(zhì)研究。通過(guò)研究如此大量的引力透鏡，研究人員希望更多地了解暗物質(zhì)的神秘本質(zhì) 。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局，布萊斯·韋迪格（華盛頓大學(xué)），丹蘇·達(dá)蘭（華盛頓大學(xué)，Joseph DePasquale）（STScI）
引力透鏡的一個(gè)特定子集，即強(qiáng)透鏡，是圣路易斯華盛頓大學(xué)研究生Bryce Wedig在《天體物理學(xué)雜志》上發(fā)表的一篇新論文的重點(diǎn) 。研究小組計(jì)算出，超過(guò)160000個(gè)引力透鏡，包括數(shù)百個(gè)適合這項(xiàng)研究的透鏡，預(yù)計(jì)將出現(xiàn)在羅曼的巨大圖像中。每幅羅馬圖像都將比美國(guó)宇航局哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的紅外快照大200倍，其即將到來(lái)的“財(cái)富”鏡頭將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)哈勃迄今為止研究的數(shù)百個(gè)鏡頭。
Roman將進(jìn)行三次核心調(diào)查，提供宇宙的廣闊視野。這個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)的工作是基于Roman現(xiàn)在完全定義的高緯度廣域測(cè)量的先前版本。研究人員正在撰寫(xiě)一篇后續(xù)論文，該論文將與最終調(diào)查的規(guī)范保持一致，以充分支持研究界。
韋迪格說(shuō)：“目前，其他望遠(yuǎn)鏡對(duì)這些天體的樣本量相當(dāng)小，因?yàn)槲覀円蕾?lài)于兩個(gè)星系沿著我們的視線幾乎完美地排列。” 。“其他望遠(yuǎn)鏡要么局限于較小的視?。?要么觀測(cè)精度較低，這使得引力透鏡更難被探測(cè)到。”
引力透鏡至少由兩個(gè)宇宙物體組成。在某些情況下，單個(gè)前景星系的質(zhì)量足以像透鏡一樣，放大它后面幾乎完美的星系。來(lái)自背景星系的光沿著不止一條路徑圍繞前景星系彎曲，在觀測(cè)中表現(xiàn)為扭曲的弧線和新月形。在Roman可能識(shí)別的160000個(gè)透鏡星系中，該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)將其縮小到約500個(gè)，這些星系適合在比這些星系更小的尺度上研究暗物質(zhì)的結(jié)構(gòu) 。
“Roman不僅將顯著增加我們的樣本量，其清晰、高分辨率的圖像還將使我們能夠發(fā)現(xiàn)在天空中看起來(lái)較小的引力透鏡，”負(fù)責(zé)該研究項(xiàng)目的科學(xué)團(tuán)隊(duì)的首席研究員Tansu Daylan說(shuō) 。戴蘭是圣路易斯華盛頓大學(xué)麥克唐納空間科學(xué)中心的助理教授和研究員。“最終，背景星系的排列和亮度都需要達(dá)到一定的閾值，這樣我們才能表征前景星系中的暗物質(zhì) 。”
什么是暗物質(zhì)？
并非星系中的所有質(zhì)量都是由我們可以看到的物體組成的，比如星團(tuán) 。星系質(zhì)量的很大一部分是由暗物質(zhì)組成的，之所以這樣稱(chēng)呼，是因?yàn)樗话l(fā)射、反射或吸收光。然而，暗物質(zhì)確實(shí)有質(zhì)量，就像其他有質(zhì)量的東西一樣，它會(huì)引起引力透鏡效應(yīng) 。
當(dāng)前景星系的引力使背景星系的光線路徑彎曲時(shí) ，它的光線會(huì)被引導(dǎo)到多條路徑上。戴蘭說(shuō)：“這種效應(yīng)產(chǎn)生了背景星系的多幅圖像，這些圖像被不同地放大和扭曲。” 。這些“復(fù)制品”對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)——它們?cè)试S對(duì)透鏡星系的質(zhì)量分布進(jìn)行多次測(cè)量，確保最終的測(cè)量結(jié)果更加精確。
Roman的3億像素?cái)z像頭，被稱(chēng)為廣域儀器，將使研究人員能夠準(zhǔn)確地確定背景星系光的彎曲，最小可達(dá)50毫角秒，這就像在兩個(gè)半美式足球場(chǎng)或足球場(chǎng)之外測(cè)量人類(lèi)頭發(fā)的直徑。
背景光所經(jīng)歷的引力透鏡效應(yīng)的量取決于介入的質(zhì)量。質(zhì)量較小的暗物質(zhì)團(tuán)塊會(huì)導(dǎo)致較小的扭曲。因此，如果研究人員能夠測(cè)量更微小的彎曲量，他們就可以檢測(cè)和表征更小、質(zhì)量更小的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)——這些結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的推移逐漸合并，形成了我們今天看到的星系。
通過(guò)Roman，該團(tuán)隊(duì)將積累有關(guān)早期星系大小和結(jié)構(gòu)的壓倒性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 。韋迪格說(shuō)：“找到引力透鏡并能夠探測(cè)到其中的暗物質(zhì)團(tuán)塊是一場(chǎng)幾率很小的游戲。有了羅曼，我們可以撒下一張大網(wǎng)，并期待經(jīng)常走運(yùn) 。” 。“我們不會(huì)在圖像中看到暗物質(zhì)——它是不可見(jiàn)的——但我們可以測(cè)量它的影響。”
“最終，我們?cè)噲D解決的問(wèn)題是：什么粒子或粒子構(gòu)成暗物質(zhì)？”戴蘭補(bǔ)充道。“雖然暗物質(zhì)的一些性質(zhì)是已知的，但我們基本上不知道暗物質(zhì)是由什么組成的。Roman將幫助我們區(qū)分暗物質(zhì)在小尺度上的分布方式，從而區(qū)分其粒子性質(zhì) 。”
準(zhǔn)備工作繼續(xù)
在Roman發(fā)射之前，該團(tuán)隊(duì)還將在歐空局（歐洲航天局）歐幾里德任務(wù)和即將在智利進(jìn)行的地面Vera C.Rubin天文臺(tái)的觀測(cè)中尋找更多候選者，該天文臺(tái)將在幾周內(nèi)開(kāi)始全面運(yùn)行。一旦Roman的紅外圖像掌握在手中，研究人員將把它們與歐幾里得、魯賓和哈勃的互補(bǔ)可見(jiàn)光圖像結(jié)合起來(lái) ，以最大限度地了解這些星系。
戴蘭說(shuō)：“我們將突破我們可以觀察到的極限，并利用我們用Roman探測(cè)到的每一個(gè)引力透鏡來(lái)確定暗物質(zhì)的粒子性質(zhì) 。” 。
Nancy Grace Roman太空望遠(yuǎn)鏡由美國(guó)國(guó)家航空航天局位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達(dá)德太空飛行中心管理，美國(guó)國(guó)家航空宇航局位于南加州的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室也參與其中；加州帕薩迪納的加州理工學(xué)院/IPAC；巴爾的摩太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所；以及一個(gè)由來(lái)自不同研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家組成的科學(xué)團(tuán)隊(duì) 。主要的工業(yè)合作伙伴是位于科羅拉多州博爾德的BAE系統(tǒng)股份有限公司；佛羅里達(dá)州墨爾本的L3哈里斯技術(shù)公司；加利福尼亞州千橡市的Teledyne科學(xué)與成像公司。
作者：克萊爾·布洛姆馬里蘭州巴爾的摩太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所。