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宇宙学观测约 22 分钟阅读

子弹星系团 1E 0657-558：2006 年质量峰与气体峰的错位

Clowe 等人 2006 年把红移 0.296 的 1E 0657-558 画成两张图：弱透镜给出质量，钱德拉给出热气体，子团质量峰相对气体质心错开约 8σ。这不是粒子照片，单系统也不终结修改引力，更不代替总览。

子弹星系团弱引力透镜暗物质钱德拉

2006 年 8 月 30 日刊出的那封信，作者是 Douglas Clowe、Maruša Bradač、Anthony H. Gonzalez、Maxim Markevitch、Scott W. Randall、Christine Jones 与 Dennis Zaritsky，载于 Astrophysical Journal Letters 648 卷 L109，DOI 10.1086/508162。 对象是正在并合的星系团，信的正文与关键词都写成 1E 0657-558，红移 $z = 0.296$。 图上叠的是两套轮廓：麦哲伦望远镜的彩色天图在一侧，钱德拉累积约 500 ks 的 X 射线图在另一侧，同一组弱透镜收敛 κ\kappa 的等值线画在两张上面。 白色短棒标的是团距离上的 200 kpc。 本页只读这封信里的峰位、孔径和它自己写下的显著性。 宇宙学与物理学的暗物质总览、引力透镜的物理，以及修正引力与 MOND，都已有专页；那些页可以点名，不能代替这组误差棒。

目录号先说清楚，免得两套字符被当成两个天体。 Clowe 等人 2006 年通篇使用 1E 0657-558。 他们引用的发现论文 Tucker 等人 1998 年，把爱因斯坦天文台 IPC 上的延展源写成 1E 0657-56，红移同样是 0.296。 同年 Bradač 等人那篇强透镜与弱透镜联合重建，标题仍用 1E0657-56 这一系写法，讨论的是同一团。 1E 0657-56 因此是更早的目录拼法，也是后来文献里的别名，不是第二个并合系统。 本页以 2006 年这封信的写法 1E 0657-558 为准。

破除误解

  1. 误解第一个误解，是把那张合成图当成暗物质粒子的照片。

    实情绿色等值线来自背景星系形状的统计重建，量的是收敛 κ\kappa。 在牛顿引力里，κ\kappa 正比于透镜的投影面密度；信里同时写明，力律一旦改掉，这个正比就不再成立，峰的位置在扣除延展翼之后仍被用来对照面密度的峰。 无论哪一种读法，κ\kappa 都不是某种粒子的成像。 粉色或 X 射线亮处是光学薄的热等离子体，辐射大致跟随密度的平方，再加一点温度修正，因此它擅长指出气体堆在哪里。 恒星只占团质量的很小一份。 Clowe 等人把典型团里恒星约占质量的 1%–2%、等离子体约占 5%–15% 当作牛顿框架下的背景数量级，用来说明气体才是重子主体，不是用来给某一种候选粒子命名。 弱相互作用大质量粒子、轴子或其他实验室对象，这封信都没有选取。

  2. 误解第二个误解，是“一张图终结了所有修改引力”。

    实情信的标题用了 direct empirical proof 这样的句子，论证也确实很硬：只要非标准的力仍然随着重子质量走，势就应该跟着重子主体，而重子主体是 X 射线气体。 观测到的 κ\kappa 峰却离开气体质心，跟着星系走。 Clowe 等人由此写，这种只改力、质量仍跟着重子的方案解释不了错位。 这不等于每一套后来发明的额外场、额外粒子或非对称投影都被同一张图判死。 信自己讨论了 Angus、Famaey 与 Zhao 在 2006 年用 TeVeS 做的对称气体盘：那种模型或许能压低正中间的峰，但盘仍应看得见，而且气体必须夹在两峰连线上。 1E 0657-558 的等离子体位于两道 κ\kappa 峰连线以北，两峰之间也没有超出气体贡献的质量集中。 这是几何对不上，不是把“修改引力”四个字一次划掉。 单系统还有投影与重建要审。 背景星系平均约在 z∼1z \sim 1，信把能贡献显著 κ\kappa 的透镜限制到 $0.18 < z < 0.39$，并估计两个无关结构正好投在团核附近的概率约 10−710^{-7}。 这是他们的论证，不是把视线叠瓦的可能性降成零。 讨论里已经点名 MS1054−03，以及当时还在准备中的 A520：类似的峰与气体错位，分辨率更低，几何也没这么干净。 点名说明这封信并不自称宇宙里的唯一一次对照，也不把那两张更模糊的图写进自己的误差棒。 后续并合团要各自重做，不能由 2006 年这一张预先结案。

  3. 误解第三个误解，是把本页当成暗物质总览或 MOND 总览。

    实情总览要同时安放旋转曲线、微波背景的声学峰、结构增长和实验室限度。 这里没有那些尺度。 这里也没有把 MOND 的加速度阈值再推导一遍。 Angus、Shan、Zhao 与 Famaey 随后主张用热中微子去补团尺度仍缺的无碰撞质量，那是对这张图的回应文章，质量是他们的拟合，不是 Clowe 等人表里的一格，本页不采用那个质量。 自相互作用截面的数值上限同样不是这封信的测量：Markevitch 等人 2004 年用更早的透镜图估计过，Randall 等人后来又用数值模拟收紧。 两篇都可以被总览引用。 引用时得标明那是截面论文，不是 2006 年这封信的 κ\kappa。

装置

要对照的是两张不同物理量的图，不是同一架望远镜的两个滤镜。 弱透镜图来自背景星系被剪切之后的形状。 单颗星系自身的椭圆度通常不小于剪切，所以峰不能从一颗星系读出，只能从许多星系的统计里重建。 Clowe 等人把地面宽视场与哈勃空间望远镜 ACS 的团核图像合成一份星表，再做成二维 κ\kappa。 地面部分包括 ESO/MPG 2.2 米广角成像仪，视场约 34′×34′34' \times 34'，以及拉斯坎帕纳斯的 6.5 米麦哲伦望远镜上的 IMACS。 ACS 是 2004 年 10 月 21 日的两幅指向，项目号 10200，星像约 0.12″；麦哲伦 R 波段的视宁度约 0.6″。 更早的 VLT 档案底片曾在 Clowe 等人 2004 年用过，子团峰当时只有约 3σ3\sigma；2006 年加上这三组成像之后，同一峰写成 8σ8\sigma。 钱德拉的 500 ks 图像不参与形状测量。 它提供的是热气体的表面亮度，以及由此拟合出的等离子体质量。 信写，对这个几何，尤其在子团所在处，气体质量可以稳到大约一成。 稳的是气体有多少，不是气体该不该和势重合。

碰撞为什么会把两种重子分开，是这套装置成立的前提，不是事后的修辞。 星系的恒星成分在穿过时近似无碰撞，等离子体则像流体，要承受冲压。 足够长时间之后，星系、气体和可能存在的暗物质会一起沉进同一个势；正在穿过的时候，它们不必还在同一处。 1E 0657-558 有两个主要的星系聚集：西侧子团较轻，东侧主团较重，天球上相距 0.72 Mpc。 Clowe 等人引用 Markevitch 等人 2002 年，把子团写成约 6 keV、主团约 14 keV，并写两侧等离子体都相对各自的星系偏向系统中心。 西侧气体云的西边有一道弓形激波，信把这道激波读成子团正以约 4700 km/s 离开主团。 视线方向的速度差只有约 600 km/s，引自 Barrena 等人 2002 年，因此并合几乎躺在天球平面里，两核大约在 100 Myr 前互相穿过。 这些速度与温度不是弱透镜星表里的列。 Markevitch 等人 2002 年那篇弓形激波论文，自己由密度与温度跳变得到马赫数约 2–3，对应相对主团约 3000–4000 km/s，并把子弹状云写成约 6–7 keV。 那是激波论文的测量。 本页不把那里的温度跳变改记成 2006 年透镜信的结果，也不把 3000–4000 km/s 与信里的约 4700 km/s 抹成同一个数。

距离尺只服务于把角秒写成 kpc。 信在 $z = 0.296$ 采用 Ωm=0.3\Omega_{\mathrm{m}} = 0.3、Λ=0.7\Lambda = 0.7、H0=70H_0 = 70 km/s/Mpc，得到底片比例 4.413 kpc/″。 换宇宙学参数会改距离和绝对质量，不改各结构在同一次测量里的相对质量，也不改峰相对气体是不是偏了。 图上 κ\kappa 的最外圈是 0.16，往内以 0.07 为步长。 峰位置的白线对应 68.3%、95.5% 与 99.7% 置信。 重建范围约 34′，也就是约 9 Mpc 见方，信估计质量片简并引起的 κ\kappa 变化小于 1%，对峰心和偏斜的影响小于他们报出的误差。 团核处的 κ\kappa 会被方法系统地低估，因此峰上的 κ\kappa 只是下限，峰心误差会略为变大。 下限不是失败，是这封信不肯把核区画得比数据更实。

它测到了什么，没有测到什么

它测到两处 κ\kappa 峰，并且两处都离开了各自的气体质心。 子团峰位于该子团最亮团星系以东 7.1″、以北 6.5″，探测显著性 8σ8\sigma，相对 2004 年的约 3σ3\sigma。 主团峰位于北侧最亮团星系以东 2.5″、以南 11.5″；若改以南侧最亮团星系为原点，则是以西 21.2″、以北 17.7″，探测显著性 12σ12\sigma。 两个峰相对各自的最亮团星系都偏了约 2σ2\sigma，却落在该子结构星系光度中心的 1σ1\sigma 以内。 最亮团星系本身并不正好坐在星系聚集的中心。 相对各自等离子体的质心，两个峰的偏移都约是 8σ8\sigma。 摘要里的“约 8σ8\sigma”指的是总质量中心离开重子质量峰，也就是离开气体，不是指子团峰“被探测到”的那一个 8σ8\sigma。 两个 8σ8\sigma 不要并成一句。 峰朝气体方向有一点偏斜，信认为这符合等离子体仍贡献总质量大约十分之一：主团里这一份约占观测到的 κ\kappa 的 14%−14%+16%14\%^{+16\%}_{-14\%}，子团里约占 10%−10%+30%10\%^{+30\%}_{-10\%}。 偏斜是气体还在图上，不是气体把峰拉回去了。

在半径 100 kpc 的孔径里，信把恒星质量、等离子体质量和平均 κ\kappa 并列，三者来源不同。 等离子体质量来自钱德拉图像的多成分三维模型，恒星质量来自 I 波段光度、并假定质光比 M/LI=2M/L_I = 2。 这个质光比可以在 0.5 到 3 之间摆动，而且孔径里没有做颜色筛选，恒星质量是上限。 即便如此，每个孔径里的重子仍以气体为主。 主团最亮团星系处，赤经 06:58:35.3、赤纬 −55:56:56.3，气体质量 (5.5±0.6)×1012M⊙(5.5 \pm 0.6) \times 10^{12} M_\odot，恒星 (0.54±0.08)×1012M⊙(0.54 \pm 0.08) \times 10^{12} M_\odot，平均 κ\kappa 为 0.36±0.060.36 \pm 0.06。 主团气体峰处，06:58:30.2、−55:56:35.9，气体 (6.6±0.7)×1012M⊙(6.6 \pm 0.7) \times 10^{12} M_\odot，恒星 (0.23±0.02)×1012M⊙(0.23 \pm 0.02) \times 10^{12} M_\odot，残余 κ\kappa 只有 0.05±0.060.05 \pm 0.06。 子团最亮团星系处，06:58:16.0、−55:56:35.1，气体 (2.7±0.3)×1012M⊙(2.7 \pm 0.3) \times 10^{12} M_\odot，恒星 (0.58±0.09)×1012M⊙(0.58 \pm 0.09) \times 10^{12} M_\odot，κ\kappa 为 0.20±0.050.20 \pm 0.05。 子团气体峰处，06:58:21.2、−55:56:30.0，气体 (5.8±0.6)×1012M⊙(5.8 \pm 0.6) \times 10^{12} M_\odot，恒星 (0.12±0.01)×1012M⊙(0.12 \pm 0.01) \times 10^{12} M_\odot，残余 κ\kappa 为 0.02±0.060.02 \pm 0.06。 气体位置上的 κ\kappa 是减掉以最亮团星系为心的圆对称轮廓之后的残余，不是把气体质量再称一遍。 子团上，气体峰处的可见质量大约是最亮团星系处的 2 倍，透镜质量的中心却靠近最亮团星系。 主团是同一方向的效应，可见质量的差别较小。 信还把暗物质加星系相对气体的 κ\kappa 比写成约 7:1。 若有人改用恒定加速度、让 κ\kappa 不再线性跟随质量，真实质量比只会更高，信给出的极限是 49:1 这一档；那是论点，不是这团被直接称出的质量比。 他们同时说，这么高的暗物质集中度会同 Markevitch 等人 2002 年的 X 射线温度以及 Barrena 等人的速度弥散冲突。 冲突被用来反对“既改力、又再加一大团暗物质”的混合，不是本页新做的温度测量。

它没有测到的，比标题的口气窄。 它没有给出质量峰与气体峰之间一个单独的角秒或 kpc 间隔。 写明的角偏移是峰相对最亮团星系的那些角秒；两团星系中心相距 0.72 Mpc；相对气体质心的错位以约 8σ8\sigma 报告。 用 4.413 kpc/″ 自行把坐标相减，会得到一个信里没有公布的数，本页不做这步。 它没有测激波两侧的温度跳变，那是 Markevitch 等人 2002 年的光谱与密度剖面。 它没有测自相互作用截面。 2004 年与更后的论文用“质量峰没有像气体那样停下”来限制截面，限制是那些论文的上限，不能抄进这封信的测量栏。 它没有在粒子种类之间选择。 看不见的那一份比气体更重，并且在这次穿过中没有表现出流体的减速；这份陈述兼容多种几乎无碰撞的候选，不构成任何一种的发现声明。 它也没有测量暗能量，没有测量宇宙剪切功率谱，没有给出可以外推到一切星系团的并合速率。 重建是二维的。 沿视线拉长的冷气体纤维在原则上可以冒充峰，信估计两根这样的纤维同时对准的概率约 10−610^{-6}，再乘以它们还得碰巧压在以 4700 km/s 横穿的最亮团星系上，大约再小 10−510^{-5}。 非标准引力里薄透镜近似更差，他们把联合概率写成远小于 10−810^{-8}。 这些是数量级论证。 数量级论证留下的审查，是以后用别的并合团、别的波段再做一次同样的位置对照，而不是在这一页上把概率改写成零。

跨域连接

  • 暗物质与暗能量：宇宙学总览把旋转曲线、声学峰、结构增长和并合团放进同一份最小清单：冷、几乎不发光、在碰撞里近似无碰撞。本页只守清单上的一格，而且这一格是 $z = 0.296$ 处投影质量与热气体的位置差，不是粒子表，也不是状态方程。总览可以点 1E 0657-558。点名不能把 2006 年的 κ\kappa 峰说成已经挑选了某一种候选，也不能把单系统的投影审查从总览里删掉。
  • 物理学中的暗物质与暗能量：物理总览从星系团速度弥散写到实验室仍未直接看到的质量，并把子弹星系团当作引力中心与可见气体分离的一例。本页把那一例退回两张图：麦哲伦与哈勃上的弱透镜 κ\kappa，钱德拉上的热气体。分离反对的是力可以改、质量仍跟着重子这一类，不是替总览宣布探测器该找哪一种粒子。
  • 引力透镜的物理：物理页写偏折、势与光路怎样变成可观测的形状。本对象把势的投影落到 κ\kappa 的峰位。牛顿极限里 κ\kappa 正比于面密度；信写明力律改变之后这个正比消失，峰位在扣除延展翼后仍用来对照面密度峰。所以拿来并置的是峰在不在气体上，不是一张已经定标成粒子照片的底片。
  • 星系团：星系团页把热气体、星系与并合激波放进团的解剖，1E 0657-558 在那里是一个著名例子。本页不重写团的标度关系，也不把 Markevitch 等人的激波温度跳变收成自己的测量。团页可以继续谈冷锋与冲压剥离。这里只问 2006 年弱透镜重建的峰离开气体质心的显著性，以及这个显著性为什么不能被换成一篇新算的角秒差。
  • 弱引力透镜与宇宙剪切：剪切页统计许多视线叠出来的宇宙学信号，用来约束增长与几何。本对象是一个红移 0.296 的并合团，背景星系的形状用来重建这一团的 κ\kappa，不是用来测剪切功率谱。把巡天的误差棒拿来修饰这张图，或把这一次错位写成剪切巡天已经收口，都是串页。
  • 修正引力与 MOND：那一页负责加速度阈值、团尺度与微波背景，本页不是那份总览。它只记录：若修改后的力仍然跟着重子走，气体这个重子主体就应该拉住势的峰，而 2006 年的峰跟着星系。Angus 等人的对称气体盘，以及后来把热中微子写进 MOND 的回应，留在他们自己的文章里。本页点出几何对不上，但不把他们拟合的质量写成 Clowe 等人的表。
  • X 射线天文学：X 射线页讲热气体怎样发光。钱德拉这张约 500 ks 的图上，亮度大略跟随密度平方，因此它指出等离子体堆在哪里，不直接指出势堆在哪里。把亮云读成看见了普通物质的全部，会漏掉恒星那一小份，更会把发光误当成称重。称重是透镜图的工作。
  • 暗物质候选粒子：候选页比较弱相互作用大质量粒子、轴子和其他仍未被实验室钉死的可能。透镜峰只要求有一份看不见、而且在这次穿过里没有跟着等离子体停住的质量。它不读散射截面的实验室下限，也不读轴子与光子的耦合。

参考文献

  1. Clowe, D., Bradač, M., Gonzalez, A. H., Markevitch, M., Randall, S. W., Jones, C., & Zaritsky, D. “A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter.” Astrophysical Journal Letters 648 (2006): L109–L113. doi:10.1086/508162
  2. Tucker, W., et al. “1E 0657-56: A Contender for the Hottest Known Cluster of Galaxies.” Astrophysical Journal 496 (1998): L5–L8. doi:10.1086/311234
  3. Markevitch, M., et al. “A Textbook Example of a Bow Shock in the Merging Galaxy Cluster 1E 0657-56.” Astrophysical Journal 567 (2002): L27–L31. doi:10.1086/339619
  4. Barrena, R., Biviano, A., Ramella, M., Falco, E. E., & Seitz, S. “The Dynamical Status of the Cluster of Galaxies 1E0657-56.” Astronomy & Astrophysics 386 (2002): 816–828. doi:10.1051/0004-6361:20020244
  5. Clowe, D., Gonzalez, A., & Markevitch, M. “Weak-Lensing Mass Reconstruction of the Interacting Cluster 1E 0657-558: Direct Evidence for the Existence of Dark Matter.” Astrophysical Journal 604 (2004): 596–603. doi:10.1086/381970
  6. Bradač, M., et al. “Strong and Weak Lensing United. III. Measuring the Mass Distribution of the Merging Galaxy Cluster 1E0657-56.” Astrophysical Journal 652 (2006): 937–947. doi:10.1086/508601
  7. Angus, G. W., Famaey, B., & Zhao, H. S. “Can MOND Take a Bullet? Analytical Comparisons of Three Versions of MOND beyond Spherical Symmetry.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 371 (2006): 138–146. doi:10.1111/j.1365-2966.2006.10668.x
  8. Angus, G. W., Shan, H. Y., Zhao, H. S., & Famaey, B. “On the Proof of Dark Matter, the Law of Gravity, and the Mass of Neutrinos.” Astrophysical Journal 654 (2007): L13–L16. doi:10.1086/510738
  9. Markevitch, M., et al. “Direct Constraints on the Dark Matter Self-Interaction Cross Section from the Merging Galaxy Cluster 1E 0657-56.” Astrophysical Journal 606 (2004): 819–824. doi:10.1086/383178
  10. Randall, S. W., Markevitch, M., Clowe, D., Gonzalez, A. H., & Bradač, M. “Constraints on the Self-Interaction Cross Section of Dark Matter from Numerical Simulations of the Merging Galaxy Cluster 1E 0657-56.” Astrophysical Journal 679 (2008): 1173–1180. doi:10.1086/587859

延伸阅读

  • 与 暗物质与暗能量、物理学中的暗物质与暗能量 对读：先看 2006 年峰与气体差在哪里，再看总览还要求哪些别的尺度同时成立。
  • 与 引力透镜的物理、弱引力透镜与宇宙剪切 对读：这一团的 κ\kappa 峰不是剪切功率谱，也不是粒子的底片。
  • 与 修正引力与 MOND 对读：只改力、质量仍跟着重子，解释不了这封信的错位；单系统的投影与后来的并合团，仍要留在总览里审查。
  • Markevitch 等人 2002 年的弓形激波与 2004 年的截面估计、Angus 等人 2007 年的中微子回应，都是邻居。邻居的上限不要写进这页的测量。

正文中引用本条 · 3 · 其中 2 条来自其他领域

宇宙物理暗物质与暗能量引力透镜的物理