韋伯望遠鏡還沒發射,天文學家就計劃研究暗物質


11月
26
2019

在使用美國宇航局(NASA)即將推出的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡進行的兩項獨立研究中,一組天文學家將觀察銀河系和附近仙女座星系的矮星系同伴,研究這些矮星系將幫助科學家了解星系的形成和暗物質的性質,暗物質被認為占宇宙中大約85%的物質。在第一項研究中,該研究團隊將通過測量銀河系兩顆矮星的運動來獲得有關暗物質的信息。在第二項研究中,將研究大星系仙女座星系周圍四個矮星系的運動。

這將有助於確定仙女座一些衛星星系是否在一個平面內運行,就像我們太陽周圍的行星一樣,這將對理解星系的形成有重要意義。這兩個項目的首席研究員是馬里蘭州巴爾摩空間望遠鏡科學研究所(STSCI)的Roeland van der Marel。離我們銀河系最接近的星系是伴矮星系,比銀河系小得多,van der

Marel和團隊計劃研究其中兩個矮星系Draco和Sculptor中恆星的運動,恆星軌道可能由每個星系中暗物質產生的引力控制。

觀測銀河系伴星系中的恆星運動

通過研究恆星的運動方式,研究人員將能夠確定暗物質在這些星系中的分布情況。宇宙中的結構是如何形成的,取決於構成宇宙中大部分質量的暗物質的性質。知道暗物質存在,但我們不知道這些暗物質到底是由什麼組成。只知道宇宙中有某種具有引力性質的東西,它會拉動物體,但並不真的知道它是什麼。該小組將研究暗物質在矮星系中心的分布,以確定這種神秘現象的溫度特性,如果暗物質是「冷暗物質」,那麼它在星系中心附近的密度將非常高。

如果暗物質是「暖暗物質」,它將在接近銀河中心的整個區域中變得更加均勻。與此同時,韋伯太空望遠鏡近紅外相機(NIRCam)將研究Draco和Sculptor的中心,另一台儀器,近紅外成像儀和無縫隙光譜儀(NIRISS),將探測矮星系的外圍。這些同步觀測將提供一些關於恆星如何在矮星系中心和外圍不同移動的洞察。它們還將能進行同一星系的兩個獨立測量,以檢驗任何系統或儀器的影響。由於韋伯太空望遠鏡的光收集面積,大約是美國宇航局哈勃太空望遠鏡的六倍,因此該團隊可以測量比哈勃所能看到微弱得多的恆星運動。

研究矮星系伴星對仙女座的運動

一項研究中包含的恆星越多,研究小組就能越準確地對影響它們運動的暗物質進行建模。仙女座星系是距離我們銀河系最近的大鄰居星系,它和銀河系一樣,有許多矮星系伴星。van der Marel和研究團隊計劃研究這些矮星系中的四個是如何圍繞仙女座星系運動,以確定它們是否在空間中的平面內分組,或者它們是否在圍繞仙女座星系四面八方移動。與第一個觀測項目不同的是,該團隊並沒有試圖測量矮星系內的恆星如何運動。

在這項研究中,研究試圖確定矮星系作為一個整體是如何圍繞仙女座移動的,這將提供對大星系通過吸積和積累較小星系而形成過程的洞察,以及這一過程的確切運行原理。在大多數模型中,圍繞在較大星系周圍的矮星系不會位於平面內。通常,科學家們會期望矮星系以隨機的方式繞著更大星系飛行。慢慢地,這些矮星同伴會失去能量,並被吸積到更大的星系中,而這個星系還會變得更大。然而,對於銀河系和仙女座星系來說,有幾項研究表明,至少有一部分矮星系位於一個平面上,甚至可能在該平面內旋轉。

確定這是否屬實的方法之一是測量他們的三維運動,如果運動實際上是在平面上,那就意味著矮星系將停留在平面上。但是,如果伴矮星看起來在一個平面上,但他們的運動是在各個方向上,這將表明一種偶然的排列,而不是一個持久的結構。如果矮星系真的在一個平面上,這可能意味著幾件事中的一件。有可能是很大一部分矮星同伴作為一個單獨的群體落入了仙女座星系軌道。如果是這樣的話,矮星將保留他們一起墜入的「記憶」,並且他們現在將表現出類似的動力學性質。

另一種可能性是仙女座的矮星系形成了所謂的「潮汐矮星系」,這些被引力束縛的氣體和恆星集合是在大型螺旋星系之間的合併或相互作用過程中形成,它們的質量與矮星系一樣大,但並不像科學家認為的那樣由暗物質主導,因為我們周圍的大多數矮星系都是這樣。兩個大星系與大量氣體的合併可能會形成一些最終形成單一平面結構的矮星系,但這將是不尋常的,因為科學家們不認為潮汐矮星系是宇宙中占主導地位的矮星系類型,人們通常知道矮星系是在稱為暈的暗物質雲內部形成。

韋伯的極高精確度

這兩種情況都可能意味著星系的形成可能比研究人員有時認為的更複雜。這兩種情況都會對發展星系形成理論模型的科學家提供額外的限制。在這兩個項目中,研究團隊將把韋伯太空望遠鏡的精確度推到極限,這是一個非常棘手的情況,因為基本上我們想要測量的是非常微小的運動,即想要達到的精度就像從地球上看到在月球表面每年移動幾英寸的東西。這兩項研究都是分配給韋伯望遠鏡科學家馬特山團隊的保證時間觀測(GTO)計劃;

他也是總部設在華盛頓特區的大學天文學研究協會(AURA)的主席,詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將於2021年發射升空,屆時將成為世界上首屈一指的空間科學觀測站,韋伯將能解開太陽系中的奧秘,超越其他恆星周圍的遙遠世界,探索我們宇宙的神秘結構和起源,以及我們在其中的位置。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是由美國宇航局(NASA)及其合作夥伴歐洲航天局(ESA)和加拿大航天局領導的一個國際項目。


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