宇宙中最大的系統結構，星系團中的物質如何保持平衡？

2020-10-18 博科園

一種衡量星系團中物質數量的方法顯示了熱氣體、恆星和其他物質數量之間的平衡。這一結果是首次使用觀測數據來測量這種平衡，這一平衡是20年前提出的理論，它將對發光和暗物質、普通物質之間的關係以及宇宙是如何膨脹產生新的見解。星系團是宇宙中最大的系統結構，每個星系團由大約1000個巨大的星系組成。它們含有大量的暗物質，以及熱氣體和較冷的「普通物質」，如恆星和較冷的氣體。

在發表於《自然通訊》(Nature Communications)的一項新研究中，一個由美國密西根大學(University of Michigan)和英國伯明罕大學(University of Birmingham)天體物理學家領導的國際團隊使用了來自本星系糰子結構研究(LoCuSS)的數據，來測量組成星系團的三個主要質量成分之間的聯繫——暗物質、熱氣體和恆星。研究小組成員們用了12年的時間收集數據，這些數據的波長跨度為1000萬倍。

使用的是錢德拉和xmm -牛頓衛星、ROSAT全天觀測衛星、斯巴魯望遠鏡、英國紅外望遠鏡(UKIRT)、Mayall望遠鏡、Sunyaev Zeldovich陣列和普朗克衛星。利用密西根大學(University of Michigan)博士艾莉亞·法拉希(Arya Farahi)博士在博士研究期間建立的複雜統計模型和算法，研究小組得出結論，研究的星團中氣體和恆星的總和幾乎是暗物質質量的固定比例。這意味著當恆星形成時，可用的熱氣體量將成比例地減少

目前是卡內基梅隆大學物理系的麥克威廉士博士後法拉希博士說：這證實了流行的冷暗物質理論預測。伯明罕大學物理與天文學院的Graham Smith博士和LoCuSS的首席研究員說：宇宙中一定數量的物質坍縮形成星系團。但一旦它們形成，這些集群就是『封閉的盒子』。熱氣體要麼形成了恆星，要麼仍然是氣體，但總體數量保持不變。密西根大學的August E. Evrard教授說：這項研究是由十多年來對望遠鏡的投資推動。

利用這些高質量的數據，天文學家能夠對41個鄰近的星系團進行特徵描述，並發現一種特殊的關係，特別是恆星質量和熱氣體質量之間的反相關行為。這是很重要的，因為這兩種測量方法結合在一起，為我們提供了對整個系統質量的最佳指示。這些發現將對天文學家測量宇宙整體性質的努力至關重要，通過對星系團內部物理的更好理解，研究人員將能夠更好地理解暗能量的行為以及宇宙膨脹背後的過程。

星系團本身是迷人的，但在許多方面仍然是神秘結構，解開控制這些系統 結構的複雜天體物理學將為更廣泛地了解宇宙打開許多大門。從本質上說，如果想要了解宇宙是如何運作的，就需要了解星系團。由於新一代望遠鏡的出現，該團隊所研究的這類數據在未來幾十年將增長几個數量級。新一代望遠鏡包括目前正在智利建造的大型天氣觀測望遠鏡(LSST)，以及一顆新的x射線衛星e-ROSITA，兩者都將在本世紀20年代初開始觀測。這些測量結果為星系團的精確科學奠定了基礎！

博科園｜研究/來自：伯明罕大學

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-10471-y

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