新發現可能揭示暗物質的性質

今年早些時候，一種機器學習算法檢測到了多達5000個可能的引力透鏡，這可能會改變科學家們描繪大爆炸以來星系演變的能力。ASTRO 3D和新南威爾士大學（UNSW）的Kim-Vy Tran及其同事現在已經利用夏威夷的凱克天文臺和智利的甚大望遠鏡評估了其中的77個透鏡。她的國際團隊驗證了這77箇中有68個是跨越巨大宇宙距離的強引力透鏡。

這個88%的成功率表明，該算法是可靠的，我們可能有成千上萬的新引力透鏡。引力透鏡一直很難被發現，只有大約一百個經常被使用。

Kim-Vy Tran的研究最近發表在《天文學雜誌》上，爲以前使用卷積神經網絡發現的強引力透鏡提供了光譜證據，該網絡是由數據科學家Colin Jacobs博士在ASTRO 3D和Swinburne大學開發的。

這項工作是ASTRO 3D星系演變與透鏡（AGEL）調查的一部分。

“我們的光譜學使我們能夠繪製出引力透鏡的三維圖，以顯示它們是真實的，而不僅僅是偶然的疊加，”來自ARC三維全天空天體物理學卓越中心（ASTRO3D）和新南威爾士大學的通訊作者Tran博士說。

她說：“我們與AGEL的目標是在光譜學上確認全年可以從北半球和南半球觀測到的大約100個強引力透鏡。”

這篇論文是與來自澳大利亞、美國、英國和智利的研究人員進行的跨越全球的合作的結果。這項工作是通過開發尋找某些數字簽名的算法而實現的。

Tran博士說：“有了這個，我們可以識別出成千上萬的透鏡，而不是隻有少數幾個。”

引力透鏡首先被愛因斯坦確定爲一種現象，他預言光在空間的大質量物體周圍會發生彎曲，就像光通過透鏡時發生彎曲一樣。在這樣做的時候，它極大地放大了我們無法看到的星系的圖像。雖然天文學家用它來觀察遙遠的星系已經有很長一段時間了，但首先找到這些宇宙“放大鏡”一直是一波三折。

“這些透鏡非常小，所以如果你有模糊的圖像，你就不可能真正發現它們，”Tran博士說。

雖然這些透鏡讓我們更清楚地看到數百萬光年外的天體，但它們也應該讓我們 “看到”構成宇宙大部分的不可見暗物質。

“我們知道大部分的質量是黑暗的，”Tran博士說。“我們知道質量在彎曲光線，因此如果我們能夠測量出光線被彎曲的程度，我們就可以推斷出那裡一定有多少質量。”

在不同的距離上擁有更多的引力透鏡，也將給我們一個更完整的時間線圖像，幾乎可以追溯到大爆炸。

“你擁有的放大鏡越多，你就越有機會嘗試調查這些更遙遠的天體。希望我們可以更好地測量非常年輕的星系的人口統計學，”Tran博士說。

“然後在那些真正早期的第一個星系和我們之間的某個地方，有一大堆正在發生的演變，有微小的恆星形成區，將原始氣體轉化爲太陽的第一批恆星，即銀河系。因此，通過這些不同距離的透鏡，我們可以觀察宇宙時間軸上的不同點，以便從本質上追蹤從最初的星系到現在，事情是如何隨時間變化的。”

Tran博士的團隊橫跨全球，每個小組提供不同的專業知識。她說：“能夠與不同大學的人合作是非常關鍵的，這對於最初建立這個項目，以及現在繼續進行所有的後續觀測都是如此。”

墨爾本大學的Stuart Wyithe教授和ARC全天空天體物理學卓越中心（Astro 3D）主任說，每個引力透鏡都是獨一無二的，並告訴我們一些新東西。

“除了是美麗的天體之外，引力透鏡還提供了一個研究非常遙遠的星系中質量如何分佈的窗口，而這些星系是無法通過其他技術觀察到的。”他說：“通過引入使用這些新的大型天空數據集來搜索許多新的引力透鏡的方法，該團隊開啓了觀察星系如何獲得其質量的機會。”

斯威本科技大學的Karl Glazebrook教授，也是Tran博士在該論文中的共同科學負責人，對之前的工作表示敬意。

“這個算法是由斯威本科技大學的Colin Jacobs博士開創的。他從數以千萬計的星系圖像中進行篩選，將樣本減少到5000個。”他說：“我們從未夢想過成功率會如此之高。”

“現在我們用哈勃太空望遠鏡得到了這些透鏡的圖像，它們的範圍從令人瞠目結舌的美麗到極其奇怪的圖像，這將需要我們付出相當大的努力來弄清楚。”

加州大學戴維斯分校 Tucker Jones副教授是這篇論文的另一位共同科學帶頭人，他將這個新樣本描述爲 “在學習星系如何在宇宙歷史中形成方面邁出了一大步”。

“通常情況下，這些早期星系看起來就像一個個模糊的小圓球，但是透鏡的放大作用使我們能夠以更好的分辨率看到它們的結構。”他說：“它們是我們最強大的望遠鏡的理想目標，讓我們儘可能地看到早期宇宙。”

“由於透鏡效應，我們可以瞭解這些原始星系的樣子，它們是由什麼構成的，以及它們如何與周圍環境互動。”