使用哈勃太空望远镜的天文学家在分析类星体时偶然发现一个奇怪的形状

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据外媒报道,当一个遥远的星系的光线在经过它前面的大质量星系或星系团时被放大、拉长和变亮,许多光学幻觉就会出现。这种现象被称为引力透镜,产生了背景星系的多个被拉伸和增亮的图像。这种现象使天文学家能够研究非常遥远的星系,除了通过引力透镜的影响外,它们是无法看到的。挑战在于试图从透镜产生的奇特形状中重建遥远的星系。但是,使用哈勃太空望远镜的天文学家在分析类星体时偶然发现了这样一个奇怪的形状。他们发现了两个明亮的线性天体,似乎是彼此的镜像。另一个怪异的天体就在附近。

这些特征让天文学家们大惑不解,以至于他们花了几年时间才解开了这个谜团。在两位引力透镜专家的帮助下,研究人员确定,这三个天体是一个遥远的、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的精确“拷贝”,这是一种罕见的情况,是由背景星系和前景透镜星团的精确排列造成的。

 

天文学家已经看到了散布在我们浩瀚宇宙中的一些相当奇怪的东西,从爆炸的恒星到碰撞的星系。因此,人们可能会认为,当他们看到一个奇怪的天体时,他们将能够识别它。但是美国宇航局的哈勃太空望远镜发现了似乎是两个相同的天体,它们看起来如此奇怪,天文学家花了几年时间才确定它们是什么。

肖尼州立大学(普茨茅斯)的天文学家蒂莫西-汉密尔顿说:"我们真的被难住了"。这些古怪的天体由一对星系凸起(一个星系中充满恒星的中心枢纽)和至少三个几乎平行的分裂条纹组成。汉密尔顿在使用哈勃测量类星体的集合时意外地发现了它们,类星体是活动星系的炽热核心。

汉密尔顿向同事寻求帮助,并做了很多大量的工作之后,汉密尔顿和由夏威夷大学希洛分校的理查德-格里菲斯领导的团队,终于把所有的线索放在一起,解开了这个谜团。这些线性天体是位于110多亿光年外的一个引力凝聚的遥远星系的拉伸图像。而且,它们似乎是彼此的镜像。

研究小组发现,一个介入的、未编入目录的前景星系团的巨大引力正在扭曲空间,放大、增亮和拉伸它后面的一个遥远星系的图像,这种现象称为引力透镜。尽管哈勃观测揭示了许多由引力透镜引起的这些有趣的镜像扭曲,但这个天体是令人困惑的。

在这种情况下,一个背景星系和一个前景星系团之间的精确排列产生了远程星系的同一图像的双倍放大副本。这种罕见的现象之所以发生,是因为背景星系跨过了空间结构中的一个涟漪。这个"波纹"是一个最大的放大区域,由密集的暗物质的引力引起,暗物质是构成宇宙大部分质量的看不见的胶水。当来自遥远的星系的光沿着这个波纹穿过星团时,产生了两个镜像,同时还可以看到偏向一侧的第三个图像。

格里菲斯将这种效果比作在游泳池底部看到的明亮的波浪形图案。"想想在一个晴朗的日子里,游泳池表面的波纹,在池底显示出明亮的图案,"他解释说。"底部的这些明亮图案是由一种类似于引力透镜的效应引起的。表面上的涟漪作为部分透镜,将阳光聚焦到底部明亮的方格图案上。"

在引力透镜的遥远星系中,"波纹"极大地放大并扭曲了通过星系团的背景星系的光线。"波纹"的作用就像一面不完美的弯曲的镜子,产生了双重副本。

但是当汉密尔顿在2013年发现这些奇怪的线性特征时,这种罕见的现象并不为人所知。当他翻阅类星体图像时,镜像图像和平行条纹的快照脱颖而出。汉密尔顿以前从未见过这样的东西,其他团队成员也没有见过。

汉密尔顿说:"我的第一个想法是,也许它们是具有潮汐拉伸臂的相互作用的星系。这并不适合,但我不知道还能怎么想。"

于是汉密尔顿和团队开始了他们的探索,以解开这些诱人的直线之谜,后来因其发现者而被称为“汉密尔顿天体”。他们在天文学会议上向同事们展示了这个奇怪的图像,引起了各种反应,从宇宙弦到行星星云。

但是,当汉密尔顿在2015年美国宇航局的一次会议上展示该图像时,并不是最初团队成员的格里菲斯提出了最合理的解释。这是一个放大和扭曲的图像,是由类似于在哈勃图像中看到的其他大质量星系团的透镜现象引起的,这些星系团正在放大非常遥远的星系的图像。当格里菲斯在哈勃的一个深层星系团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,研究人员仍然有一个问题。他们无法识别透镜星团。通常情况下,研究星系团的天文学家们首先会看到导致透镜的前景星系团,然后再找到星系团内遥远星系的放大图像。对斯隆数字天空调查图像的搜索显示,一个星系团位于在与放大图像相同的区域,但它并没有出现在任何编目调查中。尽管如此,这些奇怪的图像位于一个星系团的中心,这一事实使格里菲斯清楚地认识到,这个星系团正在产生凝聚的图像。

研究人员的下一步是确定这三幅凝聚图像是否处于相同的距离,因此是否都是同一个遥远星系的扭曲画像。夏威夷的双子座望远镜和W.M.凯克天文台的光谱测量帮助研究人员进行了这一确认,显示出凝聚的图像是来自110多亿光年外的一个星系。

根据对第三张凝聚图像的重建,这个遥远的星系似乎是一个边缘上的条状螺旋体,有持续的、结块的恒星形成。

在格里菲斯和夏威夷大学希洛分校本科生进行光谱观测的同时,芝加哥的另一组研究人员利用斯隆数据确定了这个星团并测量了它的距离。该星团位于70多亿光年之外。

但是,由于关于这个星团的信息非常少,格里菲斯的团队仍然在努力研究如何解释这些不寻常的透镜形状。"这个引力透镜与哈勃之前研究的大多数透镜非常不同,特别是在哈勃前沿领域调查的星团中,"格里菲斯解释说。"你不必长时间盯着那些星团就能发现许多透镜。在这个天体中,这是我们唯一的透镜。而我们起初甚至不知道这个星团。"

随后格里菲斯联系引力透镜理论专家-德国海德堡大学的珍妮-瓦格纳。瓦格纳曾研究过类似的天体,并与现在英国曼彻斯特大学的研究人员尼古拉斯-特索雷一起开发了计算机软件,用于解释像这样的独特透镜。他们的软件帮助研究小组弄清了所有三个透镜图像是如何形成的。他们得出结论,拉伸图像周围的暗物质必须在空间中以小尺度"平滑"分布。

"很好,我们只需要两个镜像,以便获得暗物质在这些位置上的结块或不结块的规模,"瓦格纳说。“在这里,我们不使用任何透镜模型。我们只是把多个图像的观测数据和它们可以相互转换的事实。它们可以通过我们的方法被折叠成一个。这已经给了我们一个想法,即暗物质在这两个位置需要多么光滑。”

格里菲斯说,这个结果很重要,因为天文学家在发现暗物质近一个世纪之后仍然不知道它是什么。"我们知道它是某种形式的物质,但我们不知道其组成粒子是什么。所以我们根本不知道它的行为方式。我们只知道它有质量并受到引力的影响。对结块或平滑度的大小限制的意义在于,它给我们提供了一些关于粒子可能是什么的线索。暗物质团块越小,粒子的质量肯定越大"。

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