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NASA的Roman將深入宇宙“透鏡”以更好地定義暗物質

美國

據美國國家航空航天局（克萊爾·布魯姆）：愛因斯坦預測的一種奇特的效應，稱為引力透鏡效應——當一個前景星系放大其背后更遙遠的星系時——很快就會在美國國家航空航天局的南?！じ窭姿沽_馬太空望遠鏡于2027年開始科學操作并對宇宙進行大規模調查時變得普遍 。

NASA的Roman將深入宇宙“透鏡”以更好地定義暗物質


這張圖片顯示了美國國家航空航天局南希·格雷斯·羅馬太空望遠鏡的模擬觀測，并覆蓋了其廣域儀器的視場 。在羅曼的每一次大規模觀測中，預計都會出現20多個引力透鏡 ， 左右兩側都有例子 。密蘇里州圣路易斯華盛頓大學研究生布萊斯·韋迪格（Bryce Wedig）領導的一篇期刊論文估計 ， 在這些羅馬探測器中，來自望遠鏡高緯度廣域調查的約500個將適用于暗物質研究 。通過研究如此大量的引力透鏡，研究人員希望更多地了解暗物質的神秘本質 。圖片來源：美國國家航空航天局，布萊斯·韋迪格（華盛頓大學），丹蘇·達蘭（華盛頓大學，Joseph DePasquale）（STScI）
引力透鏡的一個特定子集 ， 即強透鏡，是圣路易斯華盛頓大學研究生Bryce Wedig在《天體物理學雜志》上發表的一篇新論文的重點 。研究小組計算出，超過160000個引力透鏡，包括數百個適合這項研究的透鏡，預計將出現在羅曼的巨大圖像中 。每幅羅馬圖像都將比美國宇航局哈勃太空望遠鏡的紅外快照大200倍，其即將到來的“財富”鏡頭將遠遠超過哈勃迄今為止研究的數百個鏡頭 。
Roman將進行三次核心調查，提供宇宙的廣闊視野 。這個科學團隊的工作是基于Roman現在完全定義的高緯度廣域測量的先前版本 。研究人員正在撰寫一篇后續論文，該論文將與最終調查的規范保持一致 ， 以充分支持研究界 。
韋迪格說：“目前，其他望遠鏡對這些天體的樣本量相當小，因為我們依賴于兩個星系沿著我們的視線幾乎完美地排列 ?！??！捌渌h鏡要么局限于較小的視?。?要么觀測精度較低，這使得引力透鏡更難被探測到 。”
引力透鏡至少由兩個宇宙物體組成 。在某些情況下，單個前景星系的質量足以像透鏡一樣，放大它后面幾乎完美的星系 。來自背景星系的光沿著不止一條路徑圍繞前景星系彎曲，在觀測中表現為扭曲的弧線和新月形 。在Roman可能識別的160000個透鏡星系中，該團隊預計將其縮小到約500個，這些星系適合在比這些星系更小的尺度上研究暗物質的結構 。
“Roman不僅將顯著增加我們的樣本量 ， 其清晰、高分辨率的圖像還將使我們能夠發現在天空中看起來較小的引力透鏡，”負責該研究項目的科學團隊的首席研究員Tansu Daylan說 。戴蘭是圣路易斯華盛頓大學麥克唐納空間科學中心的助理教授和研究員 ?！白罱K，背景星系的排列和亮度都需要達到一定的閾值 ， 這樣我們才能表征前景星系中的暗物質 ?！?br>什么是暗物質？
并非星系中的所有質量都是由我們可以看到的物體組成的，比如星團 。星系質量的很大一部分是由暗物質組成的，之所以這樣稱呼 ， 是因為它不發射、反射或吸收光 。然而，暗物質確實有質量 ， 就像其他有質量的東西一樣，它會引起引力透鏡效應 。
當前景星系的引力使背景星系的光線路徑彎曲時 ， 它的光線會被引導到多條路徑上 。戴蘭說：“這種效應產生了背景星系的多幅圖像，這些圖像被不同地放大和扭曲 ?！?。這些“復制品”對研究人員來說是一個巨大的優勢——它們允許對透鏡星系的質量分布進行多次測量 ， 確保最終的測量結果更加精確 。
Roman的3億像素攝像頭，被稱為廣域儀器 ， 將使研究人員能夠準確地確定背景星系光的彎曲，最小可達50毫角秒，這就像在兩個半美式足球場或足球場之外測量人類頭發的直徑 。
背景光所經歷的引力透鏡效應的量取決于介入的質量 。質量較小的暗物質團塊會導致較小的扭曲 。因此，如果研究人員能夠測量更微小的彎曲量，他們就可以檢測和表征更小、質量更小的暗物質結構——這些結構隨著時間的推移逐漸合并，形成了我們今天看到的星系 。
通過Roman，該團隊將積累有關早期星系大小和結構的壓倒性統計數據 。韋迪格說：“找到引力透鏡并能夠探測到其中的暗物質團塊是一場幾率很小的游戲 。有了羅曼，我們可以撒下一張大網，并期待經常走運 ?！??！拔覀儾粫趫D像中看到暗物質——它是不可見的——但我們可以測量它的影響 ?！?br>“最終 ， 我們試圖解決的問題是：什么粒子或粒子構成暗物質？”戴蘭補充道 ?！半m然暗物質的一些性質是已知的，但我們基本上不知道暗物質是由什么組成的 。Roman將幫助我們區分暗物質在小尺度上的分布方式 ， 從而區分其粒子性質 ?！?br>準備工作繼續
在Roman發射之前，該團隊還將在歐空局（歐洲航天局）歐幾里德任務和即將在智利進行的地面Vera C.Rubin天文臺的觀測中尋找更多候選者 ， 該天文臺將在幾周內開始全面運行 。一旦Roman的紅外圖像掌握在手中，研究人員將把它們與歐幾里得、魯賓和哈勃的互補可見光圖像結合起來 ， 以最大限度地了解這些星系 。
戴蘭說：“我們將突破我們可以觀察到的極限，并利用我們用Roman探測到的每一個引力透鏡來確定暗物質的粒子性質 。” 。
Nancy Grace Roman太空望遠鏡由美國國家航空航天局位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心管理，美國國家航空宇航局位于南加州的噴氣推進實驗室也參與其中；加州帕薩迪納的加州理工學院/IPAC；巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所；以及一個由來自不同研究機構的科學家組成的科學團隊 。主要的工業合作伙伴是位于科羅拉多州博爾德的BAE系統股份有限公司；佛羅里達州墨爾本的L3哈里斯技術公司；加利福尼亞州千橡市的Teledyne科學與成像公司 。
作者：克萊爾·布洛姆馬里蘭州巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所 。