哈勃證實(shí)遙遠(yuǎn)的巨型星系團(tuán)產(chǎn)生的罕見引力透鏡弧
2012.6.26：借助美國宇航局（NASA）的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家在遙遠(yuǎn)的100億光年外的超星系團(tuán)后方，發(fā)現(xiàn)了一條神秘的光弧。該超星系團(tuán)由NASA的斯皮策（紅外）空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，它存在于137億年宇宙歷史的最初1/4時段。
哈勃拍攝的遙遠(yuǎn)星系團(tuán)和其產(chǎn)生的巨大光弧，版權(quán)：NASA，ESA，原作者
眼見為實(shí)，除非你不相信你所看到的。
借助美國宇航局（NASA）的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家在遙遠(yuǎn)的100億光年外的超星系團(tuán)后方，發(fā)現(xiàn)了一條神秘的光弧。該超星系團(tuán)由NASA的斯皮策（紅外）空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，它存在于137億年宇宙歷史的最初1/4時段。
問題在于，這個弧理論上是不能存在的。
報告首席作者、美國蓋恩斯維爾市佛羅里達(dá)州立大學(xué)的安東尼?岡薩雷斯（Anthony Gonzalez）說：“當(dāng)我首次看到這條光弧，我盯著它，希望它會消失。根據(jù)統(tǒng)計分析，遙遠(yuǎn)時空中的（引力透鏡）弧是極為罕見的。因為在早期宇宙時代，根本沒有足夠亮的星系位于那些本身就很遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)背后，既使它們的光能被星系團(tuán)‘扭曲’。另一個問題是：越回溯宇宙的早期時代，星系團(tuán)的質(zhì)量越小。因此，極難發(fā)現(xiàn)一個擁有足夠質(zhì)量的星系團(tuán)，來作為好的引力透鏡，強(qiáng)力更早期、更遙遠(yuǎn)背景星系的光?！?br>
星系團(tuán)是成百上千的星系集團(tuán)，通過引力組合在一起。它們是宇宙中最大質(zhì)量的天體結(jié)構(gòu)。天文學(xué)家頻繁地觀測星系團(tuán)，通過它們的放大作用觀測更遙遠(yuǎn)的背景星系；沒有引力透鏡作用，那些星系就暗弱得無法看到。在離地球相對較近的星系團(tuán)后方，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多被引力透鏡放大的星系。
但在哈勃圖像中，令人驚訝地在極其遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)后方發(fā)現(xiàn)了一條光弧。這個編號IDCS J1426.5+3508的星系團(tuán)是早期宇宙時代已知的最大質(zhì)量星系團(tuán)——約為500萬億個太陽（銀河系僅約7千億個太陽太陽質(zhì)量）；比同時代的其他星系團(tuán)大了5～10倍。團(tuán)隊在使用斯皮策紅外望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測，與早先的國家光學(xué)天文臺（NOAO）進(jìn)行的深空廣域（可見光）巡天（DWFS）檔案進(jìn)行對比時發(fā)現(xiàn)的。 DWFS由亞利桑那州圖森市的基特峰國立天文臺（KPNO）實(shí)施。對比圖像顯示星系團(tuán)整體上非常紅，換句話說，極其遙遠(yuǎn)。
哈勃WFC3拍攝的星系團(tuán)全景，以及兩條藍(lán)色的引力透鏡弧。圖中藍(lán)色代表814nm的近紅外光，橙色代表1.6微米紅外光。
這次發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特系統(tǒng)是含有巨大引力透鏡弧的極遙遠(yuǎn)星系團(tuán)。這個古老的透鏡弧也許能讓我們深入洞悉在宇宙大爆炸后的早期環(huán)境是怎樣的，巨型星系團(tuán)在其中是如何成長的。
在哈勃高級巡天相機(jī)（ACS）于2010年拍攝的可見光圖像中，也找到了該光弧。哈勃第三代廣域相機(jī)（WFC3）的紅外能力提供了精確距離測量（紅移），確認(rèn)它是已知的最遙遠(yuǎn)星系團(tuán)之一。
天文學(xué)家確定了星系團(tuán)距離后，立刻申請了哈勃、毫米波研究射電陣列（CARMA）和錢德拉X線望遠(yuǎn)鏡分別測量星系團(tuán)的巨大質(zhì)量。
CARMA通過測量宇宙大爆炸后的原始背景輻射在通過星系團(tuán)中彌散的熾熱稀薄氣體時受到的影響，而間接確定星系團(tuán)的質(zhì)量。接著天文學(xué)家通過WFC3的觀測圖像，分析要產(chǎn)生如此巨大的弧，需要多少質(zhì)量。錢德拉通過測量星系團(tuán)中熾熱氣體發(fā)射的X線輻射量，而測定星系團(tuán)的質(zhì)量。
研究團(tuán)隊成員、密蘇里大學(xué)堪薩斯分校的Mark Brodwin說：“在我們搜尋過的如此早期宇宙中，發(fā)現(xiàn)這樣巨大星系團(tuán)的可能性不到1%。它與某些我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量星系團(tuán)共享同一個演化途徑，包括后發(fā)座星系團(tuán)、大胖子星系團(tuán)等?！?/span>
哈勃拍攝的光弧的放大圖像
對光弧的分析顯示被透鏡的天體是一個正在形成恒星的星系，存在于100~130億年前。團(tuán)隊希望再次使用哈勃望遠(yuǎn)鏡，更精確測定光弧的距離（紅移值）。
岡薩雷斯給出了光弧的幾種可能的解釋。
一種可能是：與鄰近的星系團(tuán)不同，遙遠(yuǎn)星系團(tuán)中的星系沒有稠密的星系核，因此放大效果更佳。當(dāng)然，根據(jù)統(tǒng)計分析，既使那些遙遠(yuǎn)的星系核是稠密的，附加的體積也足以產(chǎn)生足夠的引力透鏡效果，產(chǎn)生巨大的光弧。
另一種可能是宇宙大爆炸后，最初的物質(zhì)分布的微擾可能與標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型模擬的不同，因此形成了超過預(yù)期的超大質(zhì)量星系團(tuán)。
PDF中的插圖，本文研究的星系團(tuán)與幾個著名的巨型超星系團(tuán)的質(zhì)量對比。
岡薩雷斯總結(jié)說：“我們還不能相信任何的解釋，更何況現(xiàn)在還只有一個樣本。我們真的需要多多研究存在于80～100億年間的超星系團(tuán)，從中發(fā)現(xiàn)到底有多少被引力透鏡的遙遠(yuǎn)天體?！?br>
團(tuán)隊的三份研究報告已經(jīng)發(fā)表在網(wǎng)上，并將刊登在2012.7.10出版的《天體物理學(xué)》期刊上。三篇報告的首席作者分別是：岡薩雷斯、Mark Brodwin，以及加州大學(xué)戴維斯分校的Adam Stanford。
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