如果您正在寻找星系间的视觉享受和宇宙闪耀，那么阿贝尔3827绝对是无与伦比的选择。这是一个拥挤的星系团，由数千个星系组成，距离地球约13亿光年。哈勃太空望远镜拍摄的星系团图像显示，中心明亮的四重合并星系像钻石一样闪闪发光，并镶嵌在一个空灵的蓝色订婚戒指上。但阿贝尔3827拥有的不仅仅是肤浅的美丽——它为好奇的天体物理学家提供了更深层次的吸引力。
尽管它光彩夺目，但星系团质量中只有约10%是可见的。其余90%以一种称为暗物质的不可见物质的光环形式存在——这些光环非常巨大，以至于星系团弯曲了附近的时空，充当一个巨大的放大镜，天文学家称之为引力透镜。包裹在星系团中心周围的朦胧发光的“订婚戒指”实际上是一组被放大、扭曲和倍增的幻影，来自一个幸运对齐的遥远背景星系。多年来，理论家们一直对这些镜像中由暗物质塑造的奇怪细节感到困惑。
“我以前从未见过这样的东西，”巴哈马高级研究学院和会议的理论天体物理学家珍妮·瓦格纳说。“当我看着这个星系团时，我想，‘这里有些不对劲，’”她回忆道。“我无法指出哪里不对劲。”
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由于其独特的环境和外观，阿贝尔3827是天文学家寻找关于暗物质究竟是什么线索的最佳地点之一。这种神秘物质构成了宇宙质量的80%，并且是现代宇宙学模型的中心，但它躲过了近90年的直接探测。精确地绘制环绕阿贝尔3827的引力透镜光弧和镜像，使科学家能够衡量星系团的重量，并确定它拥有多少暗物质以及暗物质的位置。
但是阿贝尔3827显示了多少个扭曲的图像呢？这取决于您问谁。十多年来，许多物理学家团队眯起眼睛，试图通过肉眼识别和追踪其每个伴随的扭曲图像。他们分别报告了环绕星系团的背景星系的四个、六个甚至八个海市蜃楼，每个数字都表明阿贝尔3827的暗物质分布略有不同。许多明显的镜像也彼此异常旋转。此外，之前的研究已将其中央四个合并星系的运动标记为自相互作用暗物质（SIDM）存在的潜在探针，这是一种假设的暗物质变体，它可以形成比标准类型更复杂的结构，标准类型被认为在宇宙中更惰性。但是，在那方面，研究人员也得出了相互矛盾的结论，一些人报告了与SIDM一致的证据，而另一些人则没有发现任何此类证据。尽管阿贝尔3827具有巨大的潜力，但对于寻求澄清其隐藏运作方式的天文学家来说，这个星系团仍然是一团混乱。“这是一场正在发生的重大车祸，”英国杜伦大学的理查德·梅西说，他没有参与这项新研究，但对阿贝尔3827进行了详细研究。“正如警察所说，每个目击车祸的人都会讲述一个完全不同的事件版本。”
引力透镜：从薄煎饼到华夫饼
现在，瓦格纳和她的两位同事提出了一个新理论，可能会解决其中一些差异。研究人员认为，造成阿贝尔3827独特朦胧和倾斜的背景星系引力透镜图像的真正罪魁祸首不是暗物质的某些难以捉摸的怪癖，而是星系团出乎意料的复杂透镜形态。该三人组提出，阿贝尔3827与其说是像标准透镜模型假设的那样“像薄煎饼一样扁平”，不如说是充当一个更厚、更三维的透镜，在其投射的模糊图像花环上具有相应的更强像差。“想象一下，你有一个比利时华夫饼，你把它放在离你很远的地方；它看起来会像一个薄煎饼，”瓦格纳说。“但它越靠近，你就会越看到它实际上沿着视线方向具有厚的结构。”
研究引力透镜星系团的暗物质研究人员长期以来一直偏爱薄煎饼式扁平模型，以简化问题，因为与大多数星系团与地球之间数十亿光年的距离相比，透镜星系团的厚度可以忽略不计。然而，瓦格纳说，这种方法只能解释图像的剪切或拉伸，而不能解释在阿贝尔3827中看到的令人困惑的定向。
该团队最近发表在《皇家天文学会月刊》上的新理论，依赖于中心四重星系中的星系并非位于单个距离，而是沿着我们的视线方向分布的前提。因此，瓦格纳说，背景星系的光必须不是像传统模型那样瞬时透镜化的，而是在4600万光年的距离上多次透镜化，这是阿贝尔3827星系团的估计厚度。根据该团队的“华夫饼”假设，中心四重星系中一个明显比其他星系更靠近地球的透镜星系可能是部分原因。之前的研究表明，其中三个星系就像串在绳子上的珍珠，在天空平面上与我们大致等距。然而，第四个星系似乎离我们近约3200万光年。因此，瓦格纳说，背景星系的光很可能不是透镜化一次，而是至少两次才到达我们的望远镜。
瓦格纳说，这个星系团是“以前所未有的方式四处奔跑的星系混乱”。因此，未来精确测量星系相对于彼此速度的观测将有助于验证这一假设。如果她的新理论成立，它还将加强这样一种观点，即之前在星系团中瞥见的SIDM的推定迹象可以更好地解释为有缺陷的暗物质模型的虚假产物。物理学家可能还必须修改这些模型，以纳入其他光弯曲星系团内的多个引力透镜。“沿着视线方向的其他结构的作用一直是透镜分析的一个重要问题，”以色列内盖夫本-古里安大学的星系团分析专家阿迪·齐特林说，他没有参与这项新研究。“然而，在实践中，我们经常忽略它，要么是因为我们想让事情更简单，要么是因为我们没有数据。”
猜测和“幽灵团块”
为了更好地绘制阿贝尔3827周围镜像的分布图，瓦格纳和她的团队开发了一种图像分析工具，以自动识别和关联扭曲光弧之间的显著特征。当该工具未能识别出早期作品中报告的一些特征时，该团队将这种差异追溯到先前在绘制透镜图像时的人为错误——这些错误随后被纳入后续模型后进一步加剧。“我们应该记住：我们有模型。它们有其局限性，”瓦格纳说，“对我来说，问题始终是：物理学能有多疯狂，以及我什么时候只是在我的建模中犯了错误？”
其他科学家也同意，当前的暗物质模型——其中许多模型将引力透镜模拟为扁平的二维物体——容易出现人为错误，并且不可避免地依赖于猜测。瓦格纳和她的团队注意到，这些模型的一个常见问题是“幽灵团块”的存在——模型预测在星系团周围存在异常的质量团块，但观测表明那里只有空旷的空间。根据“华夫饼”假设，在模型中添加第二个引力透镜以更好地模拟星系团的厚度应该可以解决幽灵团块的问题，瓦格纳说，尽管“需要建立一种新的透镜建模方法”才能真正证实这一点。
然而，并非所有人都确信新理论能够令人满意地解释阿贝尔3827令人困惑的扭曲图像组合。明尼苏达大学的莉莉娅·威廉姆斯研究过这个星系团，她怀疑瓦格纳和她的同事的图像分析工具背后的数学原理对于星系团的透镜图像会失效，这些图像的角尺寸大约是大多数其他已知引力透镜的四倍。“我想知道厚透镜的结论是否来自于将他们的方法推到超出其适用范围的极限，”没有参与这项研究的威廉姆斯说。
“我不知道这是不是最引人注目的，但我认为它至少与已有的其他解释一样合理，”肖尼州立大学的蒂姆·汉密尔顿说，他没有参与这项研究。“根据我们目前掌握的信息量，这可能是最简单的建模方式，而无需尝试引入额外的复杂性。”
与瓦格纳和她的团队的结论相反，其他专家表示，其中一种解释仍然是自相互作用暗物质的诱人可能性，它可能在我们当前的探测极限以下与自身相互作用。更多关于星系团及其令人费解的透镜图像的图像将有助于天文学家更好地绘制阿贝尔3827内质量的分布图，然后可以揭示星系团的恒星是否与其暗物质偏移——这是SIDM潜在的铁证。
梅西牵头了许多将阿贝尔3827与SIDM模型联系起来的工作，他仍然相信暗物质必须以至少微小的方式自相互作用才能首先存在。他说，在遥远星系扭曲的光线中发现如此微妙和难以捉摸的行为，是我们“可能在未来十年内能够实现的”。