NASA的Roman将深入宇宙“透镜”以更好地定义暗物质

（蜘蛛网eeook.com）据美国国家航空航天局（克莱尔·布鲁姆）：爱因斯坦预测的一种奇特的效应，称为引力透镜效应——当一个前景星系放大其背后更遥远的星系时——很快就会在美国国家航空航天局的南希·格雷斯罗马太空望远镜于2027年开始科学操作并对宇宙进行大规模调查时变得普遍。

这张图片显示了美国国家航空航天局南希·格雷斯·罗马太空望远镜的模拟观测，并覆盖了其广域仪器的视场。在罗曼的每一次大规模观测中，预计都会出现20多个引力透镜，左右两侧都有例子。密苏里州圣路易斯华盛顿大学研究生布莱斯·韦迪格（Bryce Wedig）领导的一篇期刊论文估计，在这些罗马探测器中，来自望远镜高纬度广域调查的约500个将适用于暗物质研究。通过研究如此大量的引力透镜，研究人员希望更多地了解暗物质的神秘本质。图片来源：美国国家航空航天局，布莱斯·韦迪格（华盛顿大学），丹苏·达兰（华盛顿大学，Joseph DePasquale）（STScI）

引力透镜的一个特定子集，即强透镜，是圣路易斯华盛顿大学研究生Bryce Wedig在《天体物理学杂志》上发表的一篇新论文的重点。研究小组计算出，超过160000个引力透镜，包括数百个适合这项研究的透镜，预计将出现在罗曼的巨大图像中。每幅罗马图像都将比美国宇航局哈勃太空望远镜的红外快照大200倍，其即将到来的“财富”镜头将远远超过哈勃迄今为止研究的数百个镜头。

Roman将进行三次核心调查，提供宇宙的广阔视野。这个科学团队的工作是基于Roman现在完全定义的高纬度广域测量的先前版本。研究人员正在撰写一篇后续论文，该论文将与最终调查的规范保持一致，以充分支持研究界。

韦迪格说：“目前，其他望远镜对这些天体的样本量相当小，因为我们依赖于两个星系沿着我们的视线几乎完美地排列。”。“其他望远镜要么局限于较小的视场，要么观测精度较低，这使得引力透镜更难被探测到。”

引力透镜至少由两个宇宙物体组成。在某些情况下，单个前景星系的质量足以像透镜一样，放大它后面几乎完美的星系。来自背景星系的光沿着不止一条路径围绕前景星系弯曲，在观测中表现为扭曲的弧线和新月形。在Roman可能识别的160000个透镜星系中，该团队预计将其缩小到约500个，这些星系适合在比这些星系更小的尺度上研究暗物质的结构。

“Roman不仅将显著增加我们的样本量，其清晰、高分辨率的图像还将使我们能够发现在天空中看起来较小的引力透镜，”负责该研究项目的科学团队的首席研究员Tansu Daylan说。戴兰是圣路易斯华盛顿大学麦克唐纳空间科学中心的助理教授和研究员。“最终，背景星系的排列和亮度都需要达到一定的阈值，这样我们才能表征前景星系中的暗物质。”

并非星系中的所有质量都是由我们可以看到的物体组成的，比如星团。星系质量的很大一部分是由暗物质组成的，之所以这样称呼，是因为它不发射、反射或吸收光。然而，暗物质确实有质量，就像其他有质量的东西一样，它会引起引力透镜效应。

当前景星系的引力使背景星系的光线路径弯曲时，它的光线会被引导到多条路径上。戴兰说：“这种效应产生了背景星系的多幅图像，这些图像被不同地放大和扭曲。”。这些“复制品”对研究人员来说是一个巨大的优势——它们允许对透镜星系的质量分布进行多次测量，确保最终的测量结果更加精确。

Roman的3亿像素摄像头，被称为广域仪器，将使研究人员能够准确地确定背景星系光的弯曲，最小可达50毫角秒，这就像在两个半美式足球场或足球场之外测量人类头发的直径。

背景光所经历的引力透镜效应的量取决于介入的质量。质量较小的暗物质团块会导致较小的扭曲。因此，如果研究人员能够测量更微小的弯曲量，他们就可以检测和表征更小、质量更小的暗物质结构——这些结构随着时间的推移逐渐合并，形成了我们今天看到的星系。

通过Roman，该团队将积累有关早期星系大小和结构的压倒性统计数据。韦迪格说：“找到引力透镜并能够探测到其中的暗物质团块是一场几率很小的游戏。有了罗曼，我们可以撒下一张大网，并期待经常走运。”。“我们不会在图像中看到暗物质——它是不可见的——但我们可以测量它的影响。”

“最终，我们试图解决的问题是：什么粒子或粒子构成暗物质？”戴兰补充道。“虽然暗物质的一些性质是已知的，但我们基本上不知道暗物质是由什么组成的。Roman将帮助我们区分暗物质在小尺度上的分布方式，从而区分其粒子性质。”

在Roman发射之前，该团队还将在欧空局（欧洲航天局）欧几里德任务和即将在智利进行的地面Vera C.Rubin天文台的观测中寻找更多候选者，该天文台将在几周内开始全面运行。一旦Roman的红外图像掌握在手中，研究人员将把它们与欧几里得、鲁宾和哈勃的互补可见光图像结合起来，以最大限度地了解这些星系。

戴兰说：“我们将突破我们可以观察到的极限，并利用我们用Roman探测到的每一个引力透镜来确定暗物质的粒子性质。”。

Nancy Grace Roman太空望远镜由美国国家航空航天局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理，美国国家航空宇航局位于南加州的喷气推进实验室也参与其中；加州帕萨迪纳的加州理工学院/IPAC；巴尔的摩太空望远镜科学研究所；以及一个由来自不同研究机构的科学家组成的科学团队。主要的工业合作伙伴是位于科罗拉多州博尔德的BAE系统股份有限公司；佛罗里达州墨尔本的L3哈里斯技术公司；加利福尼亚州千橡市的Teledyne科学与成像公司。

作者：克莱尔·布洛姆

马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所。