物理学家惊喜发现：集群内光可能提供一种测量暗物质的新方法

左侧是模拟图像，其中可见到群集内的光，这是离散的亮度峰（星系）之间的弥散雾度。在观察中，如右图所示，该集群内光分量在很大程度上被噪声淹没。

观测数据和复杂的计算机模拟相结合，在已经停滞了半个世纪的天体物理学领域取得了进步。由美国能源部费米国家加速器实验室主持的“暗能量调查”已经发布了有关星团内部光（ICL）（星系团内部发现的一种微弱类型的光）的一系列新结果。

新的，精确的ICL测量的首次爆发出现在2019年4月的《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上发表的一篇论文中。另一个出现在最近的《皇家天文学会月报》上。DES物理学家惊讶地发现了后者，他们发现了新的证据，即ICL可能提供一种测量神秘物质暗物质的新方法。

ICL的来源似乎是流氓恒星，这些流星不是在重力作用下与任何星系绑定的。长期以来，人们一直怀疑ICL可能是星系团的重要组成部分，但是它的模糊性使其难以测量。没有人知道它在星系团中扩散了多少，扩散到什么程度。

“观察到，我们确认了簇内光是暗物质的很好的径向示踪剂。这意味着在簇内光相对较亮的地方，暗物质相对较密。”主持这两项研究的费米实验室科学家张元元说。“仅测量ICL本身就非常令人兴奋。暗物质部分是加分。”

尽管暗物质是看不见的，但它却是宇宙中大部分物质的原因。暗物质是现代宇宙学的主要奥秘之一。科学家只知道它与控制日常生活的质子，中子和电子组成的正常物质有很大的不同。

但是，ICL并不是最初的问题，而是最初在研究小组的议程中。大多数天体物理学家在星系团的中心测量团簇内的光线，那里是最亮和最丰富的。

张说：“我们离星系团的中心很远，那里的光线真的很微弱。”“而且我们离中心越远，测量就越困难。”

尽管如此，DES合作者还是设法摆脱了有史以来最径向扩展的ICL测量。

该团队使用弱引力透镜比较了ICL的径向分布（即从群集中心到整个距离的变化）与星系团质量的径向分布。弱透镜是测量星系或星团质量的一种对暗物质敏感的方法。当前景恒星或星团的引力使来自更遥远星系的光线弯曲，从而扭曲其外观时，就会发生这种情况。

观察发现，ICL既反映了星系团的总可见质量的分布，也可能反映了不可见暗物质的分布。

新论文的主要作者希里森·桑帕约·桑托斯（Hillysson Sampaio-Santos）说：“我们没想到在这些径向分布之间会发现如此紧密的联系，但我们做到了。”

将观察结果与模拟结果进行比较

为了获得更多的见解，该团队使用了复杂的计算机模拟来研究ICL和暗物质之间的关系。他们发现模拟中两种现象之间的径向轮廓与观测数据不一致。在模拟中，“ ICL径向剖面不是追踪暗物质的最佳成分，”巴西里约热内卢国家天文台的Sampaio-Santos说。

Zhang指出，现在要确切指出是什么原因导致观察与模拟之间的冲突还为时过早。

“如果模拟做得不好，那可能意味着模拟的集群内光产生的时间与观察到的时间略有不同。模拟的星星没有足够的时间四处游荡并开始追踪暗物质。”她说。

桑帕约·桑托斯（Sampaio-Santos）指出，进一步的ICL研究可能会深入了解星系团内部发生的动力学，包括在重力作用下释放其某些恒星并使其徘徊的相互作用。

他说：“我正计划研究集群内部的光线以及放松的影响。”例如，某些群集已合并在一起。与放松的群集相比，这些合并的群集应具有不同的ICL属性。

增强嘈杂数据集中的信号

该小组测得的ICL大约是DES科学家通常尝试的ICL的一百到一千倍。这意味着团队必须处理信号中的大量噪声和污染。

张说，这一壮举的技术方面具有挑战性，“但是，由于我们从暗能量调查中获得了大量数据，因此我们能够消除很多噪声以进行此类测量。统计平均值。”

天体物理学家通常一次使用几个星系团进行ICL测量。

张说：“这是获取有关个体系统信息的好方法。”

为了获得更大的前景并消除噪音，DES小组在第一个研究中统计了平均约300个星系团，而在第二个研究中则对500个星团进行了平均。所有这些都离地球只有几十亿光年。

从每个群集的噪声中提取信号会占用大量数据，这正是DES生成的数据。在2019年初，DES完成了六年的任务，观测南部天空上亿万个遥远的星系，并于1月中旬公开发布了第二份数据。

ICL测量可探测距离地球多达33亿光年的星团。在未来的研究中，Zhang想研究ICL的红移演变-它是如何随着宇宙时间而变化的。

张说：“我的梦想是一路重新转移一个100亿光年。”“研究表明，这是ICL刚刚开始发展的时候。”

走得那么远，将使科学家能够看到随着时间的推移ICL的建立。

她说：“但这确实很难，因为它是我们最新测量距离的三倍，所以那里的一切都将变得极其微弱。”

参考：

“弥散的团簇内光是星系团物质分布的良好示踪剂吗？”作者：H·桑帕约·桑托斯（H Sampaio-Santos），张瑜（Yhang），奥卡多（RLC Ogando），申信（T Shin），杰西·B·金·马克思（Gyan-Marx），B·扬尼（B Yanny），K·赫纳（K Herner），M希尔顿（Hilton），崔（A Choi），马·加蒂（M Gatti），D格鲁恩（D Gruen），B·霍伊尔（B Hoyle），MM劳（MM Rau），德·维森特（J De Vicente） Zuntz，TMC Abbott，M Aguena，S Allam，J Annis，S Avila，E Bertin，D Brooks，DL DL Burke，M Carrasco Kind，J Carretero，C Chang，M Costanzi，LN da Costa，HT Diehl，P Doel，S埃弗里特（Everett），埃弗拉德（AE Evrard），弗洛尔（B Flaugher），福萨尔巴（P Fosalba），弗里曼（J Frieman），加西亚·贝利多（JGarcía-Bellido），埃加兹塔纳加（E Gaztanaga），DW格德斯（Grudes），RA格伦德尔（R Gruendl），杰斯文德（J Gschwend），古蒂雷斯（G Gutierrez），SR辛顿（Shinton），DL霍洛伍德（DL Hollowood），霍克斯切德（K Honscheid），DJ詹姆斯（James），M贾维斯（M Jarvis），T Jeltema，K Kuehn，N Kuropatkin，O Lahav，MAG Maia，M March，JL Marshall，R Miquel，A Palmese，FPaz-Chinchón，AA Plazas，E Sanchez，B Santiago，V Scarpine，M Schubnell，M Smith，E Suchyta，G Tarle，DL Tucker，TN Varga，RH Wechsler（DES合作），2020年11月26日，皇家天文学会月报。
10.1093 / mnras / staa3680

“第一年的黑暗能源调查结果：Y. Zhang，B。Yanny，A。Palmese，D。Gruen，C。To，ES Rykoff，Y。Leung，C。Collins，M。Hilton，TMC Abbott，J。在Redshift〜0.25“处检测到集群内光。 Annis，S.Avila，E.Bertin，D.Brooks，DL DL Keke，A.Carnero Rosell，M.Carrasco Kind，J.Carretero，CE Cunha，CB D'Andrea，LN da Costa，J.De Vicente，S。 Desai，HT Diehl，JP Dietrich，P.Doel，A.Drlica-Wagner，TF Eifler，AE Evrard，B.Flaugher，P.Fosalba，J.Frieman，J.García-Bellido，E.Gaztanaga，DW Gerdes Gruendl，J.Gschwend，G.Gutierrez，WG Hartley，DL Hollowood，K.Honscheid，B.Hoyle，DJ James，T.Jeltema，K.Kuehn，N.Kuropatkin，TS Li，M.Lima，MAG Maia，M 3月，JL Marshall，P。Melchior，F。Menanteau，CJ Miller，R。Miquel，JJ Mohr，RLC Ogando，AA广场，AK Romer，E.Sanchez，V。Scarpine，M。Schubnell，S。Serrano，I塞维利亚·诺亚比（Sevilla-Noarbe），史密斯（M. Smith），苏亚雷斯·桑托斯（M. Soares-Santos），索布雷拉（S. （DES合作），2019年4月4日，《天体物理学杂志》。
10.3847 / 1538-4357 / ab0dfd