如果您正在尋找星系間的視覺享受和宇宙閃耀，那麼阿貝爾3827絕對是無與倫比的選擇。這是一個擁擠的星系團，由數千個星系組成，距離地球約13億光年。哈勃太空望遠鏡拍攝的星系團影像顯示，中心明亮的四重合並星系像鑽石一樣閃閃發光，並鑲嵌在一個空靈的藍色訂婚戒指上。但阿貝爾3827擁有的不僅僅是膚淺的美麗——它為好奇的天體物理學家提供了更深層次的吸引力。
儘管它光彩奪目，但星系團質量中只有約10%是可見的。其餘90%以一種稱為暗物質的不可見物質的光環形式存在——這些光環非常巨大，以至於星系團彎曲了附近的時空，充當一個巨大的放大鏡，天文學家稱之為引力透鏡。包裹在星系團中心周圍的朦朧發光的“訂婚戒指”實際上是一組被放大、扭曲和倍增的幻影，來自一個幸運對齊的遙遠背景星系。多年來，理論家們一直對這些映象中由暗物質塑造的奇怪細節感到困惑。
“我以前從未見過這樣的東西，”巴哈馬高階研究學院和會議的理論天體物理學家珍妮·瓦格納說。“當我看著這個星系團時，我想，‘這裡有些不對勁，’”她回憶道。“我無法指出哪裡不對勁。”
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由於其獨特的環境和外觀，阿貝爾3827是天文學家尋找關於暗物質究竟是什麼線索的最佳地點之一。這種神秘物質構成了宇宙質量的80%，並且是現代宇宙學模型的中心，但它躲過了近90年的直接探測。精確地繪製環繞阿貝爾3827的引力透鏡光弧和映象，使科學家能夠衡量星系團的重量，並確定它擁有多少暗物質以及暗物質的位置。
但是阿貝爾3827顯示了多少個扭曲的影像呢？這取決於您問誰。十多年來，許多物理學家團隊眯起眼睛，試圖透過肉眼識別和追蹤其每個伴隨的扭曲影像。他們分別報告了環繞星系團的背景星系的四個、六個甚至八個海市蜃樓，每個數字都表明阿貝爾3827的暗物質分佈略有不同。許多明顯的映象也彼此異常旋轉。此外，之前的研究已將其中央四個合併星系的運動標記為自相互作用暗物質（SIDM）存在的潛在探針，這是一種假設的暗物質變體，它可以形成比標準型別更復雜的結構，標準型別被認為在宇宙中更惰性。但是，在那方面，研究人員也得出了相互矛盾的結論，一些人報告了與SIDM一致的證據，而另一些人則沒有發現任何此類證據。儘管阿貝爾3827具有巨大的潛力，但對於尋求澄清其隱藏運作方式的天文學家來說，這個星系團仍然是一團混亂。“這是一場正在發生的重大車禍，”英國杜倫大學的理查德·梅西說，他沒有參與這項新研究，但對阿貝爾3827進行了詳細研究。“正如警察所說，每個目擊車禍的人都會講述一個完全不同的事件版本。”
引力透鏡：從薄煎餅到華夫餅
現在，瓦格納和她的兩位同事提出了一個新理論，可能會解決其中一些差異。研究人員認為，造成阿貝爾3827獨特朦朧和傾斜的背景星系引力透鏡影像的真正罪魁禍首不是暗物質的某些難以捉摸的怪癖，而是星系團出乎意料的複雜透鏡形態。該三人組提出，阿貝爾3827與其說是像標準透鏡模型假設的那樣“像薄煎餅一樣扁平”，不如說是充當一個更厚、更三維的透鏡，在其投射的模糊影像花環上具有相應的更強像差。“想象一下，你有一個比利時華夫餅，你把它放在離你很遠的地方；它看起來會像一個薄煎餅，”瓦格納說。“但它越靠近，你就會越看到它實際上沿著視線方向具有厚的結構。”
研究引力透鏡星系團的暗物質研究人員長期以來一直偏愛薄煎餅式扁平模型，以簡化問題，因為與大多數星系團與地球之間數十億光年的距離相比，透鏡星系團的厚度可以忽略不計。然而，瓦格納說，這種方法只能解釋影像的剪下或拉伸，而不能解釋在阿貝爾3827中看到的令人困惑的定向。
該團隊最近發表在《皇家天文學會月刊》上的新理論，依賴於中心四重星系中的星系並非位於單個距離，而是沿著我們的視線方向分佈的前提。因此，瓦格納說，背景星系的光必須不是像傳統模型那樣瞬時透鏡化的，而是在4600萬光年的距離上多次透鏡化，這是阿貝爾3827星系團的估計厚度。根據該團隊的“華夫餅”假設，中心四重星系中一個明顯比其他星系更靠近地球的透鏡星系可能是部分原因。之前的研究表明，其中三個星系就像串在繩子上的珍珠，在天空平面上與我們大致等距。然而，第四個星系似乎離我們近約3200萬光年。因此，瓦格納說，背景星系的光很可能不是透鏡化一次，而是至少兩次才到達我們的望遠鏡。
瓦格納說，這個星系團是“以前所未有的方式四處奔跑的星系混亂”。因此，未來精確測量星系相對於彼此速度的觀測將有助於驗證這一假設。如果她的新理論成立，它還將加強這樣一種觀點，即之前在星系團中瞥見的SIDM的推定跡象可以更好地解釋為有缺陷的暗物質模型的虛假產物。物理學家可能還必須修改這些模型，以納入其他光彎曲星系團內的多個引力透鏡。“沿著視線方向的其他結構的作用一直是透鏡分析的一個重要問題，”以色列內蓋夫本-古裡安大學的星系團分析專家阿迪·齊特林說，他沒有參與這項新研究。“然而，在實踐中，我們經常忽略它，要麼是因為我們想讓事情更簡單，要麼是因為我們沒有資料。”
猜測和“幽靈團塊”
為了更好地繪製阿貝爾3827周圍映象的分佈圖，瓦格納和她的團隊開發了一種影像分析工具，以自動識別和關聯扭曲光弧之間的顯著特徵。當該工具未能識別出早期作品中報告的一些特徵時，該團隊將這種差異追溯到先前在繪製透鏡影像時的人為錯誤——這些錯誤隨後被納入後續模型後進一步加劇。“我們應該記住：我們有模型。它們有其侷限性，”瓦格納說，“對我來說，問題始終是：物理學能有多瘋狂，以及我什麼時候只是在我的建模中犯了錯誤？”
其他科學家也同意，當前的暗物質模型——其中許多模型將引力透鏡模擬為扁平的二維物體——容易出現人為錯誤，並且不可避免地依賴於猜測。瓦格納和她的團隊注意到，這些模型的一個常見問題是“幽靈團塊”的存在——模型預測在星系團周圍存在異常的質量團塊，但觀測表明那裡只有空曠的空間。根據“華夫餅”假設，在模型中新增第二個引力透鏡以更好地模擬星系團的厚度應該可以解決幽靈團塊的問題，瓦格納說，儘管“需要建立一種新的透鏡建模方法”才能真正證實這一點。
然而，並非所有人都確信新理論能夠令人滿意地解釋阿貝爾3827令人困惑的扭曲影像組合。明尼蘇達大學的莉莉婭·威廉姆斯研究過這個星系團，她懷疑瓦格納和她的同事的影像分析工具背後的數學原理對於星系團的透鏡影像會失效，這些影像的角尺寸大約是大多數其他已知引力透鏡的四倍。“我想知道厚透鏡的結論是否來自於將他們的方法推到超出其適用範圍的極限，”沒有參與這項研究的威廉姆斯說。
“我不知道這是不是最引人注目的，但我認為它至少與已有的其他解釋一樣合理，”肖尼州立大學的蒂姆·漢密爾頓說，他沒有參與這項研究。“根據我們目前掌握的資訊量，這可能是最簡單的建模方式，而無需嘗試引入額外的複雜性。”
與瓦格納和她的團隊的結論相反，其他專家表示，其中一種解釋仍然是自相互作用暗物質的誘人可能性，它可能在我們當前的探測極限以下與自身相互作用。更多關於星系團及其令人費解的透鏡影像的影像將有助於天文學家更好地繪製阿貝爾3827內質量的分佈圖，然後可以揭示星系團的恆星是否與其暗物質偏移——這是SIDM潛在的鐵證。
梅西牽頭了許多將阿貝爾3827與SIDM模型聯絡起來的工作，他仍然相信暗物質必須以至少微小的方式自相互作用才能首先存在。他說，在遙遠星系扭曲的光線中發現如此微妙和難以捉摸的行為，是我們“可能在未來十年內能夠實現的”。