8개의 새로운 4배 렌즈는 단지 화려하지 않고 암흑 물질의 온도를 드러낸다.

[find souls in the tree of life]

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/01/10/eight-new-quadruple-lenses-arent-just-gorgeous-they-reveal-dark-matters-temperature/?sh=7b71c09d6e8d

Jan 10, 2020,02:00am EST
이 기사는 3년 이상 된 것이다.

총 8개의 4배 렌즈를 활용함으로써[+]
나사, ESA, A. 니에렌버그(JPL), T. 트레우와 D. 길먼(UCLA)
암흑 물질은 1930년대에 처음 제안된 이후 직접적인 탐지를 피하면서 우리 우주의 가장 신비한 구성 요소 중 하나일 수 있다. 비록 그것의 존재에 대한 천체물리학적 증거가 압도적이지만 – 회전하는 은하, 성단에서의 은하 운동, 대규모 구조 형성, 충돌하는 은하군, 우주 마이크로파 배경 등 – 우리는 그것의 진정한 성질이 무엇인지 모른다.

암흑 물질을 연구하기 위한 가장 좋은 방법 중 하나는 중력 효과를 통한 것인데, 특히 극한 환경에서는 아인슈타인의 일반 상대성이 뉴턴 중력과 다른 독특한 예측을 한다. 우리와 먼 소스 사이의 교차 질량이 표적의 왜곡되고 확대되고 여러 이미지를 생성하는 강한 중력 렌즈는 일반적으로 물질의 가장 좋은 탐침 중 하나이다. 위드 8개의 강하게 렌즈된 4중 이미지 시스템으로 구성된 새로운 세트, 과학자들은 전에는 없었던 암흑 물질의 성질에 대해 배우고 있습니다.

이 이미지는 중력 렌즈를 보여줍니다.[+]
NASA, ESA, 요한 리처드(미국 칼텍); 인정: 다비데 드 마틴 & 제임스 롱 (ESA/허블)
아인슈타인의 일반 상대성에서는 뉴턴의 옛 중력 이론과는 달리 우리가 중력으로 인식하는 것을 일으키는 질량 사이의 보이지 않는 매력이 아니라 물질과 에너지와 시공간의 관계이다. 물질과 에너지의 존재는 공간의 직물을 휘어주고, 그 곡면 공간은 그 공간을 통과하는 빛을 포함하여 우주의 다른 모든 것에 영향을 미친다.



여러분이 충분히 많은 양으로 구부러진 공간을 가질 때마다, 그것은 매력적인 방식으로 그 영역을 통과하는 빛에 영향을 줄 것입니다. 빛이 항상 두 점 사이의 직선 경로로 이동해야 하는 평평한 공간 대신, 곡면 공간의 존재는 공간의 두 점을 연결하기 위해 여러 경로를 취할 수 있다는 것을 의미한다. 정렬이 절대적으로 완벽하면 배경 빛이 원형 구조인 아인슈타인 고리로 뻗어 있는 것을 볼 수 있습니다.

렌즈 효과로부터 거의 완벽한 고리[+]
ESA/허블 & NASA
물론, 대부분의 시간 정렬이 완벽하지 않고 완벽한 정렬이 드문 좋은 이유가 있습니다: 우주 자체는 완벽하지 않습니다. 즉, 그것은 불완전함으로 가득 차 있으며, 오늘날 우리가 보는 우주 웹으로 이어지는 중력 과밀도의 성장에 의해 지배된다.

우리는 우주를 다양한 넥서스 지점에서 연결되는 필라멘트로 묶여 함께 군집화된 은하로 만들어지는 것으로 생각할 수도 있지만, 그것은 실수일 것이다. 네, 우리 우주가 우리 눈과 기구를 닮은 것처럼 보이지만, 그것이 정상 물질일 뿐입니다: 양성자, 중성자, 전자로 만들어진 것들입니다. 이러한 기술에서 볼 수 없는 것은 우주 질량의 5/6분의 1인 암흑물질이지만 우리가 관찰할 수 있는 우주 구조에 의해 추적된 확산된 “골격”만을 형성한다.

일러스트리스를 통한 대규모 투영[+]
일러스트리스 협업/일러스트리스 시뮬레이션
우리가 아주 세밀한 척도로 내려간다면 암흑물질 상황은 더욱 흥미롭다. 암흑물질이 있는 곳이면 우주적이고 초은하 비늘에 이렇게 크고, 확산되고, 흐릿한 광배를 만드는 것이 아니다. 그 외에도, 모든 다른 크기의 미니어처 서브 헤일로도 발생합니다.

필라멘트를 따라
은하와 성단이 형성되는 위치에서,
은하가 존재하는 위치들 사이에,
그리고 존재하는 모든 더 큰 구조들 – 정상과 어둡습니다.


만약 우리가 은하의 광배에 대한 전형적인 암흑 물질 시뮬레이션을 보고, 그 위에 정상적이고 발광적인 물질을 중첩시켰다면, 우리가 볼 수 있는 것은 단지 하나의 거대한 암흑 물질 “플러프볼”이 아니라 은하를 흐르는 일련의 작은 규모의 암흑 물질 하부구조이다.

밀도가 다양한 뭉친 암흑물질 광배[+]
나사, ESA, T. 브라운과 J. 텀린슨 (STSCI)


이것이 중요한 이유는 강한 렌즈 시스템을 볼 때 우리가 관찰하는 중력 렌즈가 단지 하나의 크고 부드러운 질량원에 의해 야기되지 않기 때문이다. 대신, 우리가 관찰할 렌즈 신호의 양과 유형은 특정 물체에 대한 시야선을 따라 존재하는 모든 다른 형태의 물질과 에너지의 합이다.

렌즈 시스템의 가장 화려한 구성 중 하나는 “크로스” 구성을 얻는 것입니다: 4개의 이미지가 서로 약 90도씩 상쇄됩니다. 첫 번째 아인슈타인 고리가 발견되기 훨씬 전에, 아인슈타인 십자가가 나타났는데, 그 결과 대부분 약간 중심이 벗어난 소스의 강한 렌즈를 주로 담당하는 큰 비구면 질량의 중력적 영향에서 비롯되었다. 배경 빛은 늘어나고, 확대되고, 여러 개의 이미지를 생성하는데, 이것은 또한 우리가 어떤 화려한 과학을 추출할 수 있게 하는 장관적인 시야이다.

두 개의 시간적으로 다양한 이미지 (왼쪽)와 1990[+]
나사, ESA, STSCI
이렇게 구성된 시스템의 세부 사항을 볼 때, 그것은 단지 그것을 렌즈로 하는 주요 질량원에 의존하는 것이 아니라, 이러한 미니어처 후광에서 발생하는 복잡한 암흑 물질 하부 구조 모두에 의존한다. 네 개의 이미지 각각에서 나오는 빛이 서로에 대해 어떻게 구부러지는지 정확히 조사함으로써, 이온화된 산소와 네온 서명의 분광 기술로만 새롭게 가능한 것 – 암흑 물질이 형성될 수 있는 아할로의 종류에 대한 정보를 추출할 수 있다.



허블 우주 망원경의 데이터를 이용하여 안나 니에렌버그 교수와 다니엘 길먼 박사 후보를 포함한 팀은 시야를 넘나드는 대규모 구조에 대한 이러한 분석을 수행할 수 있었고, 8개의 4중 렌즈 시스템을 위해. 몇 천 퍼센트 수준에 불과한 하부구조로 인한 변화를 관찰함으로써 암흑물질의 본질에 대한 정보를 얻을 수 있었다.

암흑물질의 존재, 종류 및 성질[+]
NASA, ESA, D. 플레이어 (STSCI)


특히 암흑물질은 원칙적으로 어떤 양의 운동 에너지와 어떤 질량으로도 탄생할 수 있었다. 하지만 실제로 암흑물질이 가볍고 빠르게 움직이는 것으로 태어났다면 우주에서 형성되었을 구조의 종류는 가장 작은 규모의 구조로 억제되었을 것이다.

우리가 작은 규모의 구조물에 대한 증거를 찾고, 우리는 그러한 구조물들의 성질을 측정하기 시작할 때, 우리는 얼마나 거대하고 느리게 움직이는 암흑 물질이 허용되는지에 의미 있는 제약을 두기 시작할 수 있습니다. 예를 들어, 우리는 암흑 물질이 우리 우주에 존재하는 알려진 중성미자로 구성될 수 없다는 것을 안다: 암흑 물질이 너무 뜨거울 것이라는 것을 알고 있다. 우리가 일반적으로 찬 암흑 물질에 대해 이야기하지만, 암흑 물질이 어떤 질량을 가지고 있는지에 대해 상당한 운동 에너지를 가지고 있는 어떤 수준에서도 따뜻할 가능성이 여전히 있다.

암흑 물질 구조는[+]
ITP
이전에, 암흑 물질의 온도/질량 특성에 가장 좋은 제약을 두기 위해 두 가지 다른 방법이 사용되었지만, 둘 다 가정을 필요로 했다.

은하수 부근의 조석 하천은 하부구조와 따라서 암흑물질의 성질을 조사하지만, 이러한 하천은 암흑물질과의 정상 물질의 상호 작용을 가정하는데 의존하는데, 이는 여러 가지 점에서 매우 불확실하다.


멀리 있는 퀘이사로부터의 빛이 부분적으로 또는 완전히 빛을 흡수하는 가스 구름을 통과하는 라이만-알파 숲은 우리가 우주에서 매우 일찍부터 얼마나 작고 큰 구조물이 자라는지 알 수 있게 하지만, 다시 물질의 중력 성장과 정상 물질이 암흑 물질 후광으로 떨어지는 것에 대한 가정을 필요로 한다.
이것들에 대한 제약은 좋다; 암흑 물질이 열유물이라면 (한때 초기 우주의 다른 입자들의 운동 에너지로 생산되었다는 것을 의미함) 모든 가정이 유효하다고 가정하면, 이러한 방법들로부터 6 keV 또는 5.3 keV보다 질량이 커야 한다. (이것은 중성미자 질량에 결합된 전류보다 약 ~10,000배 더 크다.)

멀리 있는 퀘이사는 (오른쪽) 큰 돌기가 있을 것이다.[-]
coming from the Lyman-series transition in its hydrogen atoms. To the left, a series of lines known as a forest appears. These dips are due to the absorption of intervening gas clouds, and the fact that the dips have the strengths they do place constraints on many properties, such as the temperature of dark matter, which must be cold. However, this can also be used to constrain and/or measure the properties of any intervening galactic halos, including the gas within them.
M. 라우흐, ARAA 대 36, 1, 267 (1998)
그러나 이 새로운 방법을 활용함으로써 우주의 정규 물질에 대한 어떤 가정과도 무관한 우수한 제약이 얻어졌다. 미국천문학회의 연례회의에서 이 연구를 발표한 다니엘 길먼이 밝힌 것처럼,



이 8개의 은하들 중 각각이 거대한 돋보기라고 생각해 보세요. 작은 암흑물질 덩어리는 돋보기에 작은 균열 역할을 해 유리가 매끄러운지 알 수 있을 것으로 예상하는 것과 비교하면 4개의 퀘이사 이미지의 밝기와 위치를 바꾼다.

빛과 정상 물질의 상호 작용, 또는 암흑 물질이 있는 정상 물질의 상호 작용에 의존하지 않고, 대신 빛이 혼자 따라야 하는 곡선 경로에 의존하였다. 이 작업으로부터 암흑 물질은 열유물이라면 5.2 keV보다 더 커야 하는데, 이는 차가울 수도 있고 미온적일 수도 있지만 더 뜨겁지는 않다는 것을 의미한다.




4중 렌즈 시스템 중 6개는 배치에 사용됩니다.[+]
나사, ESA, A. 니에렌버그(JPL), T. 트레우와 D. 길먼(UCLA)
천문학자들이 우주가 우리가 보는 우주를 설명하기 위해 암흑 물질의 존재를 필요로 한다는 것을 처음 깨달았기 때문에, 우리는 그것의 본질을 이해하려고 했습니다. 직접적인 탐지 노력은 여전히 결실을 맺지 못했지만, 천문학적 관찰을 통한 간접 탐지는 암흑물질의 존재를 드러낼 뿐만 아니라, 4중 렌즈의 퀘이사 시스템을 사용하는 이 새로운 방법은 우리에게 얼마나 차가운 암흑물질이 있어야 하는지에 대한 매우 강하고 의미 있는 제약을 주었다.



너무 뜨겁거나 에너지가 넘치는 암흑 물질은 일정한 척도 이하의 구조를 형성할 수 없으며, 이러한 초거리 4중 렌즈 시스템의 관찰은 암흑 물질이 결국 매우 작은 척도로 덩어리를 형성해야 한다는 것을 보여주며, 그들이 상상할 수 있는 한 임의로 차가운 것으로 탄생하는 것과 일치한다. 암흑 물질은 뜨겁지도 않고, 심지어 매우 따뜻할 수도 없다. 이러한 시스템들이 더 많이 들어오고 우리의 악기들이 허블의 능력조차 넘어서면서, 우리는 우주론자들이 오랫동안 의심했던 것을 발견할 수도 있습니다: 암흑 물질은 오늘날 을 뿐만 아니라 게 태어났을 것입니다.