子彈星系團

子彈星系團（1E 0657-56）由兩個正在碰撞的星系團組成。嚴格來說，這個名字指的是其中較小的子星系團。目前，兩個子星系團正在彼此遠離。它的共動距離為1.141 Gpc（3.72×10⁹光年） 。

子彈星系團
錢德拉X射線天文台拍攝的X射線圖像，曝光時間為140小時。圖片中距離尺度的單位為百萬秒差距（Mpc）。這個天體的紅移為0.3， 意味着觀測到的光的波長是原本的1.3倍。
觀測數據（曆元曆元 J2000.0）
星座	船底座
赤經	06h 58m 37.9s
赤緯	-55° 57′ 0″
星系的數量	~40
紅移	0.296[1]
同移距離	1.141 Gpc (37億光年).[2]
ICM溫度	17.4 ± 2.5 keV
X射線光度	1.4 ± 0.3 × 1039 h50−2 J/s (全波段星等)[1]
X射線通量	5.6 ± 0.6 × 10−19 W/cm2 (0.1–2.4 keV)[1]
其它名稱
1E 0657-56, 1E 0657-558

天文學家普遍認為，對子彈星系團的重力透鏡研究，為暗物質的存在提供了強有力的證據，因此該天體具有極高研究價值。^[3][4]類似地，對其他碰撞星系團（例如MACS J0025.4-1222）的觀測結果也支持暗物質的存在。^[5]

概述

星系團對的主要成分——恆星、氣體和假定存在的暗物質——在碰撞過程中表現出不同的動力學特徵，因此可以對它們分別進行研究。在可見光下可見的星系並未受到碰撞的太大影響，它們直接穿過對方，僅因重力作用略微減速，但除此之外沒有發生其他改變。 星系團中的熱氣體能通過X射線來追蹤，其代表了星系團對中的大部分重子物質，或「普通」物質。由於星系團內介質的氣體之間存在電磁相互作用，氣體運動速度顯著低於星系核恆星。第三個組成部分是暗物質，通過重力透鏡效應間接探測，即星系團質量扭曲背景天體光路的程度。最新廣義相對論計算表明，該子彈星系團對中的大部分重力是由兩個以無碰撞暗物質為主導的團塊產生的，它們在碰撞過程中不受影響地穿過了氣體區域。^[4][6]

X 射線圖像（粉色）疊加在可見光圖像（星系）上，其中物質分布由重力透鏡計算得出（藍色）

子彈星系團是已知最熾熱的星系團之一。其存在為宇宙學模型提供了關鍵的觀測約束——當星系團溫度超過理論預測的臨界值時，不同的模型預測就可能出現分歧。約1.5億年前，子星系團以近1000萬公里/小時的速度（攜帶7000萬K高溫氣體）高速穿過主星系團的1億K氣體雲，在右側形成了獨特的弓形激波結構。^[7][8]該激波釋放的輻射能量，相當於十個典型的類星體的能量總和。

根據格雷格·馬傑斯基（Greg Madejski）的說法：

馬爾凱維奇（Markevitch）等人（2004）和克勞維（Clowe）等人（2004）利用錢德拉望遠鏡對「子彈星系團」（1E0657-56；圖2）的觀測得出了引人注目的結果。研究指出該星系團正在經歷一次高速（約4,500公里/秒）的星系合併過程，這一現象通過熾熱X射線輻射氣體的空間分布得以顯現，但這些氣體的運動滯後於兩個正在合併的星系團本身。更重要的是，通過弱重力透鏡效應揭示的暗物質質量分布，完全符合理論上未遭受碰撞等相互作用的星系質量分布，卻超前於遭受碰撞而減速混合的氣體組分分布。這一觀測發現——以及其他類似觀測——為暗物質自相互作用效應提供了嚴格的限制條件。 ^[9]

埃里克·林（Eric Hayashi）表示：

子彈星系團中兩個星系的速度在常規星系團中並不罕見，且符合當前主流ΛCDM模型的預測。 ^[10]

2010年的一項研究聲稱，此次碰撞的速度「與ΛCDM模型的預測不符」。^[11]但後續分析指出，此前結論源於對向心速度（通過X射線氣體激波速度來估計）的誤判。^[12]最新基於激波與蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應的聯合分析顯示，合併速度約為較低的3,950公里/秒，符合ΛCDM模型的預測，這項分析的前提是電子和離子下游溫度的不是瞬時平衡的。^[13]

作為反對修正重力理論的證據

即使修改了重力理論，修正牛頓力學仍然需要引入暗物質來解釋觀測到的現象。白線描繪了通過重力透鏡測量的重力勢場分布，粉色雲顯示了發射熱X射線的氣體，全彩點是星系和一些前景恆星，藍色是推斷的暗物質分布。圖像基於Angus等人於2006年發表的數據。 ^[14]

子彈星系團被認為是對所有提出用修正重力理論來解決質量缺失問題的理論（包括修正牛頓動力學(MOND)）的重大挑戰。^[15]天文學家分別利用可見光和X射線測量了星系團中恆星和氣體質量的分布，並利用重力透鏡繪製了重力位能圖。如右圖所示，發射X射線的氣體位於中心，而恆星集中分布於星系團邊緣。在碰撞過程中，發射X射線的氣體相互作用並減速，因此停留在靠近中心的位置，而恆星由於相互之間的距離巨大，基本上相互擦肩而過。重力位能揭示出兩個大的質量集中點都以星係為中心，而非氣體，而正常情況下大多數通常物質質量位於後者中。ΛCDM模型預期每個星系團都會有一個暗物質暈，這些暗物質暈會在星系團碰撞過程中相互穿過（通常認為暗物質之間的相互作用很弱，幾乎不會發生碰撞）。暗物質的這種性質清楚地解釋了重力勢峰值和發射X射線的氣體之間的偏差，檢測結果顯示統計顯著性達到8σ。

克勞維（Clowe）團隊宣稱，重力勢與常規物質之間的這種空間偏移現象是「暗物質存在的直接觀測證據」，他們認為修正的重力理論無法解釋它。^[15]然而需要指出的是，克勞維團隊的研究並未嘗試運用修正牛頓動力學（MOND）或其他修正重力理論來分析子彈星系團。同年，安格斯（Angus）團隊的研究表明，在子彈星系團這種高度非球對稱的系統中，MOND理論確實能夠復現重力勢與X射線氣體分布的空間偏移。^[16]根據MOND理論預測，「缺失質量」應當集中在加速度低於閾值a₀的區域——對於子彈星系團而言，這類區域對應的是星系分布區，而非發射X射線的氣體所在的區域。儘管如此，由於子彈星系團多個核心區仍存在質量偏差，MOND仍無法完全解釋該星系團，這也與其在其他星系團中遇到的困境一致。^[14]

MOND理論創始人莫德采·米爾格若姆（Mordehai Milgrom）在網上發表的一篇文章中反駁了「子彈星系團證明暗物質存在」的觀點。^[17]他認為觀測到的現象完全可能源於未被探測到的常規物質，並指出所有星系團中都可能存在與可見重子物質質量相當的冷緻密氫氣體雲，這種物質形態或可解釋MOND在星系團尺度上的失效。^[18]但最新研究表明，活動星系核（AGN）的反饋機制會阻止氫氣冷卻凝聚，因此此類冷氫雲實際存在的可能性極低。^[19][20]

部分天文學家聲稱一些替代重力理論，如修正重力理論 (MOG）^[21]和多體重力理論 (MBG) ^[22]，能夠解釋子彈星系團的弱重力透鏡效應。

參見

• 星系群
• 星系團
• Abell 520——一個類似的星系團，其暗物質和可見物質可能在一次碰撞中分離
• NGC 1052-DF2
• 星系群和星系團列表