对遥远星系周围爱因斯坦环的新看法让我们更接近解决暗物质争论

物理学家认为，宇宙中的大部分物质都是由一种看不见的物质组成的，我们只能通过它对我们能看到的恒星和星系的间接影响来了解它。

我们没有疯!没有这种“暗物质”，我们看到的宇宙将毫无意义。

但暗物质的本质是一个长期存在的难题。然而，香港大学的阿尔弗雷德·阿姆鲁斯(Alfred Amruth)及其同事发表在《自然天文学》(Nature Astronomy)上的一项新研究利用光的引力弯曲使我们更接近理解。

看不见但无所不在

我们认为暗物质存在的原因是，我们可以看到它的引力对星系行为的影响。具体来说，暗物质似乎占宇宙质量的85%左右，我们能看到的大多数遥远星系似乎都被神秘物质的光晕所包围。

但它被称为暗物质，因为它不发光，也不吸收或反射它，这使得它难以探测。

那么这是什么东西呢?我们认为它一定是某种未知的基本粒子，但除此之外，我们不确定。到目前为止，所有在实验室实验中探测暗物质粒子的尝试都失败了，物理学家几十年来一直在争论它的性质。

科学家们提出了两个主要的暗物质假设候选者：称为弱相互作用大质量粒子(或WIMP)的相对较重的特征，以及称为轴子的极轻粒子。从理论上讲，WIMP的行为类似于离散粒子，而由于量子干涉，轴子的行为更像波。

很难区分这两种可能性 - 但现在在遥远星系周围弯曲的光提供了线索。

引力透镜和爱因斯坦环

当穿过宇宙的光经过像星系这样的大质量物体时，它的路径是弯曲的，因为根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，大质量物体的引力扭曲了周围的空间和时间。

因此，有时当我们观察一个遥远的星系时，我们可以看到它后面其他星系的扭曲图像。如果事情完美排列，来自背景星系的光将被涂抹成围绕较近星系的圆圈。

这种光的扭曲被称为“引力透镜”，它能产生的圆圈被称为“爱因斯坦环”。

通过研究环或其他透镜图像是如何扭曲的，天文学家可以了解围绕较近星系的暗物质晕的特性。

轴子与懦夫

这正是Amruth和他的团队在他们的新研究中所做的。他们研究了几个系统，其中在前景透镜星系周围可以看到同一背景物体的多个副本，特别关注一个名为HS 0810 + 2554的系统。

使用详细的建模，他们计算出如果暗物质由WIMP组成，图像将如何失真，而如果暗物质由轴子组成，图像将如何失真。WIMP模型看起来不太像真实的东西，但轴子模型准确地再现了系统的所有功能。

结果表明，轴子是暗物质的更可能的候选者，它们解释透镜异常和其他天体物理学观测的能力让科学家们兴奋不已。

粒子和星系

这项新研究建立在先前研究的基础上，这些研究也指出轴子是更可能的暗物质形式。例如，一项研究着眼于轴子暗物质对宇宙微波背景的影响，而另一项研究则研究了矮星系中暗物质的行为。

虽然这项研究还不会结束关于暗物质性质的科学辩论，但它确实为测试和实验开辟了新的途径。例如，未来的引力透镜观测可用于探测轴子的波状性质，并可能测量它们的质量。

更好地了解暗物质将对我们对粒子物理学和早期宇宙的了解产生影响。它还可以帮助我们更好地了解星系如何随着时间的推移而形成和变化。