【研究成果】波暗物質下的重力透鏡與愛因斯坦環

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  朱舢樺 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 遠處的光線在重力透鏡作用下產生多個成像

宇宙中充滿了我們看不見的暗物質(Dark Matter),這些暗物質不會吸收或反射光,因此極難觀測或研究。而這些暗物質的組成究竟為何?臺灣大學薛熙于副教授和闕志鴻特聘教授參與的國際團隊,發現背影星系在重力透鏡作用下的多重成像,與基於軸子假設的波暗物質模型預測吻合。本研究於2023年四月發表於國際期刊《Nature Astronomy》。

暗物質目前的主要候選者有軸子(Axion)和弱作用大質量粒子 (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP)。軸子是一種極輕的粒子,它的提出一開始是為了解決量子色動力學(quantum chromodynamics)的問題,此粒子的部分特性恰好與暗物質十分相符,因而備受關注。弱作用大質量粒子和軸子的質量差異極大,由於軸子的質量極小,其波的性質較明顯,有類似物質波的量子干涉表現;弱作用大質量粒子的行為則類似於離散粒子。

藉由重力透鏡效應分析星系周圍的暗物質暈

當遠處天體的光線通過重力場(例如黑洞、星系團等)時,根據廣義相對論,光線會受到引力作用而彎曲(如圖1中的實線),觀測者所觀測到的成像(如圖1中虛線)會放大並且變為多個成像,或甚至是一個環。此成像稱為愛因斯坦環,而此效應稱為重力透鏡效應。當光線經過由暗物質主導的重力場時,暗物質的分布會影響重力透鏡的成像,研究團隊便以此來分析暗物質的特性。

由於弱作用大質量粒子和軸子性質相異,作為前景星系的暗物質暈時,背影星系(如圖1右下角的光源)經過重力透鏡作用後的成像結果也會不同。圖2 模擬了當暗物質是弱作用大質量粒子和軸子時,前景星系的表面質量分布以及成像等放大線。(a)圖顯示了若暗物質暈為弱作用大質量粒子時的情況,由於暗物質的質量分布十分規律,離星系中心愈遠密度愈低,因此圖中的等放大線分布較為平滑,最高放大倍數的軌跡為一個接近圓形的愛因斯坦環;(b)圖為軸子,基於軸子的量子干涉特性,暗物質的質量分布具有物質波尺度的波動,造成等放大線上有許多擾動。

圖2. 前景星系的表面質量分布情況及等放大線模擬圖,(a)假設暗物質為弱作用大質量粒子,(b)假設暗物質為軸子

以HS 0810+2554系統進行分析

接下來研究團隊運用一個實際案例與這兩個模型做比較,以辨明暗物質的真實身分。HS 0810+2554系統中有一個巨大的橢圓星系,位於我們和另一個星系之間。該星系透過重力透鏡作用使背影星系產生了四個介於光學波長的圖像,可以用來和上述兩個模擬圖進行比對。因為軸子的干涉圖案具隨機不規則性,所以研究團隊利用高斯隨機場隨機產生了 75 個不同的模擬。令人驚豔的是,其中有多個模擬與現實所觀測到的數據十分吻合。相較之下,弱作用大質量粒子的模擬結果與望遠鏡的觀測數據不相符,暗示暗物質的本質更可能是軸子。此研究讓世人對於暗物質的本質有更多的了解,為「暗物質為軸子」的假設提供了新的有力證據。

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