在恒星之间的缝隙中寻找暗物质

尽管暗物质占宇宙的27%，但天文学家一直无法直接观测到它。

现在，在一项新的研究中，包括西北大学天体物理学家在内的一个国际研究小组发现，美国宇航局南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（定于2027年5月发射）即将拍摄的图像可能为理解这种难以捉摸的物质提供重要线索。

在寻找暗物质的过程中，一些天体物理学家以前一直关注恒星流中的间隙 – 这些区域的结构非常薄，以至于有可能发现暗物质团块产生的干扰。但是，到目前为止，天文学家只研究了银河系中的这些间隙。随着罗马太空望远镜拍摄我们邻近的仙女座星系的图像，研究人员将大大扩展他们不断增长的稀薄恒星流样本，从而有可能带来更多关于暗物质具体特性的信息。

该研究已被《天体物理学杂志》接受发表。预印本目前可在线获得。它标志着首次探索在银河系以外的恒星流中寻找间隙的前景。

“在我们自己的银河系中存在恒星流，在那里我们看到了可能是由于暗物质造成的间隙，”西北大学的Tjitske Starkenburg说，他是该研究的合著者。“但这些差距也可以通过其他方式形成。我们的新研究表明，我们将能够在附近的星系中观察到这些间隙，而不是我们自己的星系。这将为我们提供关于这些差距的更好统计数据，最终将帮助我们更好地了解暗物质团块的可能存在和性质。

斯塔肯伯格是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的研究助理教授。斯坦福大学博士后研究员克里斯蒂安·阿甘泽（Christian Aganze）是该研究的主要作者。

暗物质被认为是一种粒子，还不能直接观察到，因为它不发射、反射、折射或吸收光。因为没有人能看到它，研究人员不得不寻找其他线索来确定它是否真的存在。

“我们看到了暗物质对星系的影响，”Aganze说。“例如，当我们模拟星系如何旋转时，我们需要额外的质量来解释它们的旋转。暗物质可能会提供缺失的质量。

天文学家特别希望，线索可能隐藏在从球状星团中悬挂的细长恒星流中，这些星团紧密结合，由数十到数百万颗恒星组成。研究人员表示，暗物质团块可以穿透恒星流以形成间隙。通过研究这些差距，天文学家旨在发现暗物质的迹象。

“这些流最有趣的是看到这些暗物质团块的影响是双重的，”斯塔肯伯格说。“首先，这些溪流’生活’在星系的极端外围区域，否则几乎没有结构。其次，这些流本质上非常稀薄，因为它们是由密集的星团形成的，这意味着你可以更容易地看到间隙或任何干扰。

迄今为止，现有的天基和地基望远镜将搜索限制在银河系内的少数球状星团流上。但是，距离地球100万英里的罗马太空望远镜将使天文学家能够首次在附近的星系中寻找球状星团流。罗曼的宽视场仪器有18个探测器，它们产生的图像是哈勃太空望远镜近红外相机产生的图像的200倍，分辨率略高。

在这项新研究中，Starkenburg，Aganze和他们的合作者模拟了恒星流，允许他们与暗物质团块相互作用以产生间隙，然后生成对这些间隙的模拟观测。最终，研究小组得出结论，这些间隙应该在罗马太空望远镜即将发布的图像中检测到。他们还估计，新望远镜将在短短一小时的观测时间内有效地提供这些数据。

时机成熟时，研究人员还计划检查仙女座周围的暗物质光环。虽然暗物质晕环绕着包括银河系在内的所有星系，但研究人员怀疑他们可能会发现当前模型预测的较小亚晕的证据。

“我们预计较小的暗物质亚晕将与球状星团流相互作用，”Starkenburg说。“如果这些亚晕存在于其他星系中，我们预测我们将看到球状星团流中的间隙，这可能是由这些亚晕引起的。这将为我们提供关于暗物质的新信息，包括存在哪些类型的暗物质晕以及它们的质量是多少。

在美国宇航局南希·格雷斯·罗曼太空望远镜研究和支持参与机会计划的资助下，斯塔肯堡已经通过相关项目为研究暗物质奠定了基础。

“该团队计划通过开发一个更详细的理论框架来模拟球状星团如何形成恒星流，”她说。“我们将继续预测形成流状球状星团的起源，以及这些流是否能用Roman观测到。

这项研究名为“用南希·格雷斯·罗马太空望远镜探测外部星系中球状星团恒星流间隙的前景”，得到了CIERA，NASA和西蒙斯基金会的支持。

美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理罗马任务，美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室也参与其中，并将提供罗马任务运营中心。位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所将主持罗马的科学运营中心，并领导罗马成像的数据处理。位于加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院/IPAC将设立罗马科学支持中心，并领导罗马光谱学的数据处理。