观测数据和复杂的计算机模拟相结合，在已经停滞不前了半个世纪的天体物理学领域取得了进步。由美国能源部费米国家加速器实验室主持的《暗能量调查》（Dark Energy Survey）已经发布了有关所谓的星系团间内光（ICL）（星系团内部发现的一种微弱光）的一系列新结果。
新的，精确的ICL测量的首次出现在2019年4月的《天体物理学杂志》上发表的一篇论文中，另一次出现在最近的《皇家天文学会月刊》中。《暗能量调查》（DES）的物理学家惊讶地发现了后者，他们发现了新证据，表明ICL可能提供一种测量神秘物质暗物质的新方法。
ICL的来源似乎是流氓恒星，它们是不受引力约束与任何星系的恒星。长期以来，人们一直怀疑ICL可能是星系团的重要组成部分，但是它的模糊性使其难以测量。没有人知道它在星系团中扩散了多少，扩散到什么程度。
“观察到，我们发现星系团间内光是暗物质的很好的径向示踪剂。这意味着当簇内光相对明亮时，暗物质相对密集。” 费米实验室的科学家张元元（Yuanyuan Zhang）说，“仅测量ICL本身就非常令人兴奋。暗物质部分是偶然发现的。这不是我们期望的。”
暗物质虽然看不见，但暗物质是宇宙物质中占比最大。暗物质是现代宇宙学的主要奥秘之一。科学家只知道，它与控制日常生活的质子、中子和电子组成的正常物质有很大区别。
但是，ICL并不是最初的问题，而是最初列入研究小组的议程。大多数天体物理学家在星系团的中心测量星系团间内的光线，那里是最亮和最丰富的。
“我们离星系团的中心很远，那里的光线真的很微弱。” 张说，“而且我们离中心越远，测量就越困难。”
尽管如此，DES 的合作者还是成功地对 ICL 进行径向扩展的测量。
该团队使用弱引力透镜比较了ICL的径向分布（即从星系团中心到整个距离的变化）与星系团质量的径向分布。弱透镜是测量星系或星团质量的一种对暗物质敏感的方法。当前景恒星或星团的引力使来自更遥远星系的光线弯曲，从而扭曲其外观时，就会发生这种情况。
观察发现，ICL既反映了星系团可见质量的分布，也可能反映了不可见暗物质的分布。
新论文的主要作者，科学家希里森·桑帕约·桑托斯说：“我们没想到在这些径向分布之间会发现如此紧密的联系，但我们做到了。”
比较观察结果与模拟结果
为了获得更多的见解，该团队使用了复杂的计算机模拟来研究ICL和暗物质之间的关系。他们发现，在模拟中两个现象之间的径向轮廓与观测数据不一致。在模拟中，“ ICL径向剖面不是追踪暗物质的最佳成分，”巴西里约热内卢国家天文台的桑帕约·桑托斯（Sampaio-Santos）说。
张指出，现在要确切指出是什么原因导致观察与模拟之间的冲突还为时过早。
“如果模拟做得不好，可能意味着模拟的星系团间内光的产生时间与观测的时间略有不同。模拟的星星没有足够的时间徘徊并开始追踪暗物质。”她说。
桑帕约·桑托斯（Sampaio-Santos）指出，进一步的ICL研究可能会深入了解星系团内部发生的动力学，包括在引力作用下释放其某些恒星并使其徘徊的相互作用。
图注：左侧是模拟图像，其中可见星系团间内的光，这是离散的亮度峰（星系）之间的弥散雾度。在观察中（如右图所示），该星系团间内光分量在很大程度上被噪声淹没。
他说：“我正计划研究星系团间内部的光以及离散的影响。”例如，某些星系团已合并在一起。与离散的星系团相比，这些合并的星系团应具有不同的ICL属性。
增强嘈杂数据集中的信号
该小组测得的ICL大约是DES科学家通常尝试的ICL的一百到一千倍。这意味着团队必须处理信号中的大量噪声和污染。
张说，这一壮举的技术方面具有挑战性，“但是，由于我们从《暗能量调查》中获得了大量数据，因此我们能够消除很多噪音来进行这种测量。这是统计平均值。”
天体物理学家通常一次使用几个星系团进行ICL测量。
“这是获取有关各个系统信息的好方法。”
为了获得更大的前景并消除噪音，DES小组在第一个研究中统计了平均约300个星系团，在第二个研究中对500个星团进行了平均。所有这些都离地球只有几十亿光年。
从每个星系团的噪声中提取信号会占用大量数据，这正是DES生成的数据。在2019年初，DES完成了六年的任务，观测南部天空上数亿个遥远的星系，并于1月中旬公开发布了第二份数据。
ICL测量可探测距离地球多达33亿光年的星团。在未来的研究中，张想研究ICL的红移演变——它如何随着宇宙时间而变化。
“我的梦想是一路红移一千亿光年。”张说，“研究表明，这是ICL刚刚开始发展的时候。”
但这确实很难，因为它是我们最新测量距离的三倍，所以那里的一切都将变得极其微弱。”
