周一 · 知古通今|周二 · 牧夫?qū)?/p>
周三 · 風月同天|周四 · 觀測指南
周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 太空探索
主譯：甘林
校對：酥油餅
審核：牧夫天文校對組
美編：張一帆
后臺：李子琦
https://alma-telescope.jp/news/press/dm-202502.html (有刪減)
科維理宇宙物理學與數(shù)學研究所(Kavli IPMU)的約翰·西爾弗曼教授等人組成的國際研究團隊通過分析 ALMA 望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)約 130 億光年外包含超大質(zhì)量黑洞的兩個星系的光暈中，暗物質(zhì)占據(jù)主導地位。這一研究成果為早期宇宙暗物質(zhì)與超大質(zhì)量黑洞之間的關(guān)系，以及星系如何演化至今提供了新的見解。
1970 年代，天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin）通過觀測近鄰星系，發(fā)現(xiàn)星系的外緣部分以比預期更快的速度旋轉(zhuǎn)。按照牛頓力學的假設，如果星系僅由恒星和氣體組成，那么其外緣的恒星和氣體的運動速度應該比星系中心附近的速度更慢。然而，魯賓的觀測結(jié)果卻與這一預測相反，這一現(xiàn)象后來被稱為“平坦的旋轉(zhuǎn)曲線”。
這一發(fā)現(xiàn)表明，星系周圍存在大量不可見的質(zhì)量（暗物質(zhì)暈），使得遠離星系中心的恒星和氣體仍能以高速運動。這發(fā)現(xiàn)首次揭示了暗物質(zhì)的引力在星系中起著關(guān)鍵作用。然而，盡管暗物質(zhì)在宇宙演化中具有重要性，關(guān)于早期宇宙中暗物質(zhì)的存在及其分布，迄今為止仍缺乏觀測上的限制，依然是一個未知的問題。
此次，研究團隊調(diào)查了約 130 億光年外包含超大質(zhì)量黑洞的星系中的暗物質(zhì)的量。西爾弗曼教授談到本次研究時表示：“維拉·魯賓通過鄰近星系的旋轉(zhuǎn)曲線首次提供了暗物質(zhì)暈存在的證據(jù)。而我們這次在早期宇宙中采用了相同的方法?！?/p>
研究團隊利用 ALMA 望遠鏡觀測到的電離碳（C?）的輻射譜線數(shù)據(jù)，研究了紅移 6 處的兩個擁有超大質(zhì)量黑洞的類星體母星系中的氣體運動。星系氣體的速度變化可以通過藍移氣體（朝向觀測者運動）和紅移氣體（遠離觀測者運動）來捕捉（圖 1）。
■圖1 左圖：彩色圖像與黑色等高線顯示了 P009-10 在暈尺度上的電離碳（C?）氣體分布。類星體（大黑色十字）所在的星系核氣體分布由紫色等高線表示。
右圖：電離碳（C?）輻射的速度場，范圍從 -200 km/s（藍色，朝向觀測者運動）到 +200 km/s（紅色，遠離觀測者運動）。
結(jié)果顯示，在巨大的暗物質(zhì)暈內(nèi)，氣體呈現(xiàn)出一致的旋轉(zhuǎn)運動。（Credit: Fei et al.）
通過分析每個星系的旋轉(zhuǎn)曲線，研究團隊發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)約占整個星系系統(tǒng)總質(zhì)量的 60%。有趣的是，近年來另一研究團隊的研究報告稱，在比本研究所探測的星系更近的宇宙中，星系的旋轉(zhuǎn)曲線在外緣部分出現(xiàn)下降趨勢，這意味著這些星系系統(tǒng)中的暗物質(zhì)比例較低。
圖 2:遠方星系的旋轉(zhuǎn)曲線。本研究團隊的數(shù)據(jù)（紅線和藍線）與紅移 z~0 附近的鄰近巨大盤狀星系（灰色虛線）相似，其旋轉(zhuǎn)曲線保持相對平坦（即在外緣仍維持較高速度）。這表明，要解釋這些恒星和氣體在星系外緣仍保持較高速度的現(xiàn)象，暗物質(zhì)必須占據(jù)主導地位。相比之下，紅移 2-3 的其他星系（灰色數(shù)據(jù)點）顯示其旋轉(zhuǎn)曲線在星系外緣出現(xiàn)下降趨勢，意味著其暗物質(zhì)比例較低。（Credit: Fei et al.）
然而，本研究團隊對數(shù)據(jù)的分析表明，擁有超大質(zhì)量黑洞的遠方星系的旋轉(zhuǎn)曲線與地球附近的大型盤狀星系相似，呈現(xiàn)出“平坦的旋轉(zhuǎn)曲線”。也就是說，即使在星系的外緣，恒星和氣體仍然以較高的速度運動，這表明星系暈中需要大量的暗物質(zhì)來解釋這一現(xiàn)象（圖 2）。本研究成果為暗物質(zhì)與超大質(zhì)量黑洞之間復雜關(guān)系提供了新的視角，并為理解從早期宇宙到現(xiàn)今的星系演化提供了新的見解。
本研究成果已由 Fei 等人以 “Assessing the dark matter content of two quasar host galaxies at z～6 through gas kinematics.”為題，發(fā)表在美國天體物理學專業(yè)期刊《Astrophysical Journal》上。
https://www.ipmu.jp/ja/20250207-darkmatter初期宇宙の銀河でもダークマターが優(yōu)勢か（（東京大學國際高等研究所科維理數(shù)物聯(lián)動宇宙研究機構(gòu)的文章）
https://kiaa.pku.edu.cn/info/1031/9940.htm Researchers find dark matter dominating in early universe galaxies （北京大學科維理天文與天體物理研究所的文章）
責任編輯：甘林
牧夫新媒體編輯部
『天文濕刻』 牧夫出品
微信公眾號：astronomycn
NGC-1555欣德星云
謝謝閱讀
熱門跟貼