Goddard Space Flight Center

2018年，一个国际研究团队使用美国航空航天局（NASA）/欧洲空间局（ESA）的哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）和其他几个天文台的数据，首次发现了一个缺失大部分暗物质的星系。这个星系位于银河系的邻居鲸鱼座（Cetus）之中，名为NGC1052-DF2，距离我们4500万光年。 NGC 1052-DF2星系的这一奇怪发现，令天文学家倍感意外，因为依据现有的理解，暗物质是当前星系形成和演化模型中的关键组成部分。实际上，如果没有暗物质的存在，原初气团将缺乏足够的引力来开始它的塌陷过程，也就无法并形成新的星系。 在此一年之后，研究人员又发现了另一个缺失暗物质的星系，NGC 1052-DF4星系，这进一步引发了天文学家关于这些天体性质的激烈争论。 来自NASA / ESA哈勃空间望远镜的新数据，为NGC 1052-DF4星系的潮汐破坏提供了进一步的证据，这一结论解释了此前的奇怪发现，即该星系缺失了它的大部分暗物质。通过研究星系发出的光和球状星团的分布，天文学家得出结论：来自邻近星系NGC 1035的引力将NGC 1052-DF4的暗物质剥离了出去，而这一强大的引力作用现在正在逐渐拆解NGC 1052-DF4星系。上面的图像是根据构成数字巡天第二阶段（Digitized Sky Survey 2）的图像创建的，显示了NGC 1052-DF4周围的天空。 图片来源：ESA /哈勃、NASA、数字巡天第二阶段 致谢：戴维德·马丁（Davide de Martin） 现在，研究人员用哈勃的新数据来解释为什么NGC 1052-DF4中会缺失大部分暗物质。澳大利亚新南威尔士大学（University of New South Wales）的米雷亚·蒙特斯（Mireia Montes）带领的一个国际天文学家团队，使用深光学成像技术研究了这个星系，他们发现，潮汐破坏（tidal disruption）的影响可以解释缺失的暗物质。邻近的大型星系NGC 1035的引力正在将NGC 1052-DF4裂解开来，在此过程中，暗物质被去除了，而恒星在随后的阶段中感受到的则是与另一个星系相互作用的影响。 直到现在，天文学家也很难发现暗物质以这种方式被去除掉，因为只有使用能够揭示极微弱特征的极深图像，才能观察到这种情况。“我们以两种方式使用到了哈勃望远镜，发现NGC 1052-DF4正在发生某种相互作用，”蒙特斯解释说，“这两种方式分别是研究星系的光和球状星团的分布。” 上面的图像展示了NGC 1052-DF4星系周围的区域，由西班牙特内里费岛泰德天文台（Teide Observatory）的IAC80望远镜所拍摄，图像突出显示了视野中的主要星系，包括NGC 1052-DF4（位于图像的中心）及其相邻的NGC 1035（位于图像左侧中部）。 图片来源：米雷亚·蒙特斯等人 由于哈勃望远镜具有很高的分辨率，天文学家可以从所得数据中识别出星系的球状星团。通过进一步研究西班牙加那利群岛上口径长达10.4米的加那利大型望远镜（Gran Telescopio Canarias，GTC）和IAC80望远镜的数据，研究人员对哈勃的观测结果做出了相应的补充。 “仅仅花费大量的时间在数据观察上是远远不够的，仔细地处理数据才是至关重要的，”西班牙加那利天体物理研究所（Instituto de Astrofísica de Canarias）的团队成员劳尔·因凡特-塞恩斯（Raúl Infante-Sainz）解释说，“因此重要的是，我们要使用的不只是一台望远镜或仪器，而是多个地基和太空中的观测仪器来进行这项研究。利用哈勃望远镜的高分辨率，我们可以识别出球状星团，然后利用加那利大型望远镜的光度测量，我们可以得到星系的物理特性。” 科学家认为，球状星团是在剧烈的恒星形成过程中形成的，多个恒星的形成则进一步塑造了星系。这些星团因恒星紧密地聚集在一起而产生了易于观察的边界和光度，因此可以很好地说明它们所在星系的性质。通过研究和表征NGC 1052-DF4星系中星团的空间分布，天文学家可以深入地了解星系本身的当前状态，而这些星团的直线形排列表明，它们正在从宿主星系中被“剥离”，这支持了潮汐破坏事件正在发生的结论。 通过研究星系的光，天文学家也捕捉到了潮汐尾（tidal tails）的证据，它们是由远离NGC 1052-DF4的物质形成的，这进一步支持了以下结论：这是一个潮汐破坏事件。进一步的分析得出的结论是，星系的中心部分未受影响，星系中仅有7%的恒星质量处于潮汐尾中。这意味着一开始的时候，暗物质被优先从星系中剥离出来，因为暗物质的密度比恒星低，而现在，星系外围的行星部分也开始被逐渐剥离。 “这为我们提供了一个很好的指示：虽说星系中的暗物质已经从系统中蒸发掉了，但恒星才刚刚开始受到潮汐破坏的影响，”西班牙西班牙加那利天体物理研究所的成员伊格纳西奥·特鲁希略（Ignacio Trujillo）解释说，“随着时间的推移，NGC 102-DF4将被围绕NGC 1035的大型系统拆解吞噬，至少会有其中的一些恒星在深空中自由地漂荡。” 作为对于星系缺失暗物质的原因解释，支持潮汐破坏机制的证据发现不仅解决了一项天文学难题，也让天文学家们松了一口气，因为如果没有它，科学家或许就不得不修订我们对引力定律的理解。 蒙特斯补充说：“这项发现，让有关星系如何形成和演化的现有知识，与最有利的宇宙学模型达成了一致。” 参考来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/new-hubble-data-explains-missing-dark-matter

我们天空中一些最令人惊叹的景象出现在日落时分，阳光穿透云层，形成了由云层的阴影和大气散射的光束形成的明暗混合光线。 研究邻近星系IC 5063的天文学家们被美国宇航局哈勃太空望远镜拍摄的图像所吸引。在这种情况下，从活跃星系耀眼的中心可以看到一束狭窄的明亮光线和阴影。 这张哈勃太空望远镜拍摄的附近活动星系IC 5063的中心图像显示，明亮的光线和来自炽热核心的阴影混合在一起，炽热核心是一个超大质量黑洞的所在地。天文学家认为，围绕黑洞的一圈尘埃物质可能正在将黑洞的阴影投射到太空中。根据他们的设想，这种光和影的相互作用可能会发生在巨黑洞爆炸的光撞击深埋在核心中的尘埃环的时候。光线穿过尘埃环上的缝隙，形成明亮的锥形射线。然而，圆盘上密集的斑块阻挡了一些光线，在星系中投射出长长的阴影。这种现象类似于太阳下山时阳光穿透地球上的云层，形成明亮的光线和被大气散射的光线形成的阴影。然而，IC 5063中出现的明亮光线和黑暗阴影的范围要大得多，至少跨越了36000光年。IC 5063距离地球1.56亿光年。这些观测是在2019年3月7日和11月25日由哈勃的广角照相机3号和高级巡天照相机拍摄的。 影像来源：NASA, ESA, and W.P. Maksym (CfA) 由位于马萨诸塞州剑桥的哈佛和史密森天体物理中心(CfA)的彼得·马克西姆领导的一组天文学家，已经追踪到了星系的核心，那里有一个活跃的超大质量黑洞。黑洞是一种致密的空间区域，在重力的强力作用下吞噬光和物质。这个巨大的物体疯狂地以流入的物质为食，从它附近的过热气体中产生强大的光喷。 尽管研究人员已经为这一现象发展出了几个看似合理的理论，但最有趣的想法是，黑洞周围由尘埃物质组成的内管状环状物正在向太空投射它的阴影。 根据马克西姆的设想，黑洞周围的尘埃环并不能阻挡所有的光线。圆盘上的缝隙允许光线射出，创造出明亮的锥形射线，类似于有时在日落时看到的手指状光。然而，IC 5063的光线发生的范围要大得多，至少穿越了36000光年。 一些光线照射到环的密集区域，将尘埃环的阴影投射到太空中。这些阴影看起来像深色的手指形状，夹杂着明亮的光线。这些光束和阴影是可见的，因为黑洞和它的尘埃环相对于星系平面倾斜。这种排列方式使得光束可以延伸到星系外很远的地方。 这种光和影的相互作用提供了一种独特的视角来观察环绕在黑洞周围的物质分布。在某些区域，这些物质可能像分散的云。如果这种解释是正确的，观测结果可能会间接探测到圆盘的斑驳结构。 “我最兴奋的是环面阴影的想法，因为这是一个很酷的效果，我认为我们以前在图像中从未见过，尽管它是假设的。”马克西姆说。“从科学上讲，它向我们展示了很难直接看到的东西（通常是不可能的）。我们知道这种现象应该发生，但是在这种情况下，我们可以看到整个星系的效果。了解更多关于尘埃环面的几何知识，将对试图理解超大质量黑洞及其环境的行为产生影响。随着星系的演化，它的中心黑洞会塑造它。” 研究尘埃环面是很重要的，因为它向黑洞输送物质。如果“阴影”的解释是准确的，暗射线提供了间接证据，IC 5063的圆盘可能非常薄，这就解释了为什么光会泄漏到整个结构。 美国宇航局钱德拉X射线天文台对类似黑洞的观测发现，X射线从尘埃环面的黑洞中泄漏出来，使该结构看起来像瑞士奶酪。“圆盘受到内力的扭曲可能会产生孔洞，导致其翘曲。”马克西姆补充说，“这种扭曲可能会造成足够大的空隙，让一些光线穿透，当尘埃环面旋转时，光束可以像灯塔光束穿透雾一样横扫整个星系。” 业余天文学家的意外发现 尽管天文学家已经研究该星系几十年了，但这个惊人的发现还是由一位非科学家做出的。2019年12月，加州莫德斯托的艺术家、业余天文学家朱迪·施密特(Judy Schmidt)在对哈勃望远镜曝光的银河系进行再加工时，发现了黑暗阴影。施密特经常从哈勃档案中挑选有趣的观察资料，她可以把这些资料变成美丽的图像。她在Twitter上与许多追随者分享这些照片，其中包括马克西姆等天文学家。 施密特之所以从档案中选择哈勃望远镜观测到的IC 5063，是因为她对具有活动核的星系很感兴趣。锥状阴影在最初的曝光中并不明显，因此她在重新处理后的图像中看到这些阴影时感到惊讶。“我不知道它们在那里，甚至在我处理完之后，我一直眨着眼睛怀疑自己是否看到了我以为自己看到的东西”她说。 她立即在推特上发布了自己的照片。“这是我以前从未见过的东西，尽管我强烈怀疑它们是阴影射线或‘黄昏射线’(彼得给它们起的名字)，但很容易让人的想象和一厢情愿的想法失控，”她解释说。“我想如果我错了，有人会来找我。” 这张照片在她的天文学家粉丝们的推特上引起了热烈的讨论，其中包括马克西姆，他对射线的起源争论不休。马克西姆已经在分析哈勃拍摄的星系黑洞喷流的图像。所以他带头研究射线并写了一篇科学论文。他的研究基于哈勃望远镜的3号广角相机和高级测量相机在2019年3月和11月进行的近红外观测。红光和近红外光穿透这个布满尘埃的星系，揭示了可能被尘埃包裹的细节。 如果没有哈勃望远镜敏锐的视觉，这一发现是不可能的。该星系也相对较近，距离地球只有1.56亿光年。“地面望远镜拍摄的旧照片可能显示了这种结构的迹象，但星系本身是如此混乱，你永远猜不到没有哈勃望远镜会发生什么。”马克西姆解释说，“哈勃望远镜有清晰的图像，对微弱的物体很敏感，并且有足够大的视野来拍摄整个星系。” 马克西姆希望继续他对银河系的研究，以确定他的设想是否正确。“我们希望继续调查，如果其他科学家也试图通过新的观察和建模来验证我们的结论，那就太棒了。”他说，“这个项目需要新的数据，因为它提出的问题比它解决的问题要多。” 研究小组的研究结果发表在《天体物理学快报》上。 哈勃太空望远镜是NASA与ESA（欧洲航天局）之间国际合作的项目。位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心负责管理该望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃望远镜的科学运作。 STScI由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运营。 来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/black-holes-dust-ring-may-be-casting-shadows-from-heart-of-a-galaxy