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生活

分析愛因斯坦環,發現波狀暗物質行為更像波而非粒子

科技新報

更新於 2023年04月24日16:48 • 發布於 2023年04月24日15:38

暗物質是天文學最大謎團之一,目前以大質量弱相互作用粒子與軸子為主要候選者,而後者預測行為類似波動。最近天文學家研究了遙遠類星體受重力透鏡效應影響時,產生的愛因斯坦環亮度波動之原因,發現波狀暗物質能導致這種觀察結果。

暗物質因不可見而得名,我們知道暗物質的存在是因引力效應可在大尺度結構觀察到,比如星系運動與周圍光線扭曲,很明顯當地物質比我們看見還多。

目前暗物質有幾個主要候選者,一為弱相互作用大質量粒子(WIMP),具質量、表現得像離散粒子,與普通物質不會相互作用。另一個候選者為軸子(Axion),比 WIMP 小得多,且由於量子干涉,表現行為更像波而非粒子。

一般來說很難區分這兩種可能的暗物質,但現在重力透鏡效應周圍彎曲的光線提供線索。

當遙遠光源經過一個巨大物體(星系、星團等)時,光線會因後者重力場而「彎曲」,從我們的角度看去,被彎曲的光線會在物體周圍形成近乎完美的環,使我們看見原本可能看不見的東西,而愛因斯坦環(Einstein Ring)就是光被重力場扭曲的產物,研究光環如何扭曲,天文學家可分析圍繞重力場的暗物質暈特性。

香港大學 Alfred Amruth 團隊便研究幾個與重力透鏡有關的系統,並特別關注名為 HS 0810+2554 的類星體,試圖理解遠方光源經過前方重力場時,產生亮度波動的原因。

研究人員發現,WIMP 模型很難再現背景類星體的亮度波動,但軸子模型結果發現愛因斯坦環的邊緣更混亂,能再現 HS 0180+2554 類星體的亮度波動,表明軸子更可能是暗物質候選者。

雖然這項研究沒有終結暗物質真實身分的辯論,但確實為測試與實驗開闢另一條途徑,未來的重力透鏡觀測或許能注重於探測軸子的波狀性質,並嘗試測量它們的質量。

新論文發表於《自然天文學》期刊。

(首圖來源:NASA

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