想象一個你所能想象的最大的宇宙大碰撞。以我們所知的最大的引力約束結構為例，巨大的星系團可能包含數千個銀河系大小的星系，它們相互吸引、碰撞並融合。當其內部充滿了星系、恆星、氣體、塵埃、黑洞、暗物質等各種物質時，就註定了其中不僅有火焰，可能還有不會出現在宇宙其它地方的新天體物理現象。

這些星團中的氣體可以加熱、相互作用併產生撞擊，從而產生驚人的高能輻射。暗物質可以穿過除它本身以外的一切物質，只有其重力效應能夠使它與大部分正常物質分開。而且，理論上，帶電粒子可以極大地加速，產生跨越數百萬光年的相干磁場。這是第一次在兩個碰撞星團之間發現這樣一座星系橋樑，這對我們的宇宙有著巨大的影響。

圖解：這張錢德拉太空望遠鏡的影象顯示了星系團MACSJ0717的大範圍檢視，其中的白框顯示了可以用錢德拉和哈勃太空望遠鏡（HST）合成影象的視野；綠線顯示了引導進入這個星系團的大尺度絲狀物的大致位置，表明了存在於我們宇宙之中巨大的宇宙網與星系團之間的聯絡。（NASA/CXC/IFA/C.MA等人）

在我們的宇宙中，天文結構並不都是被平等創造出來的。行星與恆星對比起來相形見絀，而恆星本身的規模又遠遠小於太陽系。要組成一個像銀河系一樣的大星系，需要數千億個的這樣的星系集合而成，而星系群和星系團又可能包含數千個銀河系大小的星系。這些巨大的星系團可以在最大的尺度上相互碰撞合併。

早在2004年，就有兩組關於一對鄰近星系團1E 0657–558（通常被稱為子彈星團）的觀測。僅從一張光學影象中，就能清楚地識別由密集星系群形成的兩個獨立的星系團。

圖解：子彈星系團是兩個碰撞星系團之間存在著關鍵效應，能被觀測到的第一個經典例子。在光學圖上，可以清楚地分辨出兩個鄰近星系團（左和右）的存在。(NASA/STSCI; MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE ET AL.)

你還有兩件事情可以用來梳理，以得到一些其它關於這個系統中發生了什麼的資訊。首先，你可以做一個物理上有趣的測量，先觀察你能在影象中看到的所有星系的光，然後辨別出哪些星系位於星系團的後面（背景星系），哪些星系位於星系團的前面（前景星系）。

當你觀察前景星系時，它們的方向應該是任意隨機的：它們應該是圓形、橢圓形或盤狀的，沒有平均扭曲來使它們傾斜向任何特定的方向。但是如果光前面有一個大品質的物體，那麼根據引力透鏡效應，它應該會扭曲背景影象。至少從這種角度，背景星系和前景星系在形狀上的資料差異，可以告訴我們太空中的不同位置存在多少品質的資訊。

圖解：無論是恆星、星系還是星系團，任何背景點光線的形成都會由於前景品質的影響而被弱引力透鏡所扭曲。即使有隨機形狀的干擾，特徵也是顯而易見的。通過研究前景（未扭曲）和背景（扭曲的）星系之間的差異，我們可以重建宇宙中像星系團一樣的大品質延伸物體的品質分佈。（維基共享資源使用者TALLJIMBO）

你可以做的第二件事是在太空中使用先進的X射線天文臺，用X射線觀察天空中完全相同的區域。美國宇航局的錢德拉X射線天文臺就能夠實現這樣的的觀測。錢德拉的發現令人驚喜：可以看到兩個巨大的氣體團各自隨著它的星系團移動。正如預期的那樣，大量的氣體不僅與單獨的星系有關係，而且與星系團整體都有關係。

但令人意想不到的是，佔整個星團13-15%品質的氣體與引力效應竟無法匹配！不知何故，正常物質和引力效應被割裂了，就好像整個品質直接穿過一樣。這一結果被認為是暗物質存在的壓倒性的天體物理證據。

圖解：引力透鏡效應的圖（藍色）疊加在子彈狀星系團光學和X射線資料上（粉紅色）。X射線位置的不匹配和由此可以推斷得出的品質存在是無法否定的。（X射線：NASA/CXC/CFA/M.MARKEVITCH等人；透鏡圖：美國宇航局/地圖/ ESO STScI）；ESO WFI;MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE等人；光學：NASA/STSCI;MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE等人。）

自那以後，十多個類似這種兩個星系群或星團相互碰撞的情況陸續被發現，並且每一個都展現了同樣的結果。在碰撞之前，如果一個星系團發出x射線，這些x射線與星系團本身有關，任何引力畸變都與星系和氣體的位置一致。

但是在一次碰撞之後，釋放x射線的氣體與物質發生了偏移，這意味著同樣的物理原理在起作用。當星系團相互碰撞時:

在我們觀察到的每一個碰撞星系群和星團中，x射線氣體和整體物質的分離都是相同的。

圖解：不同碰撞星系團的x射線圖(粉紅色)和總體物質圖(藍色)顯示了正常物質和引力效應之間的清晰分離，這是暗物質存在的最有力證據之一。雖然我們進行的一些模擬表明，一些星團的移動速度可能比預期的要快，但模擬中僅包括引力，對氣體來說其他因素的影響可能也很重要。(X-RAY: NASA/CXC/ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SWITZERLAND/D.HARVEY NASA/CXC/DURHAM UNIV/R.MASSEY; OPTICAL/LENSING MAP: NASA, ESA, D. HARVEY (ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SWITZERLAND) AND R. MASSEY (DURHAM UNIVERSITY, UK))

你可能會認為，在如此眾多的獨立系統中得到的這種暗物質的經驗證明會動搖任何合理的懷疑論者。為了解釋引力透鏡訊號與物質存在之間的不一致，科學家們設想了另一種引力理論，假設存在一種會抵消物質引力的非局域效應。但是，任何一種對特定排列的碰撞星系有效的理論都無法解釋該星系團在碰撞前的狀態。15年後，替代理論仍然無法同時解釋這兩種情況。

但是一個存在暗物質的宇宙擔負有很高的舉證責任:它必須能夠解釋觀察到的這些星系團的每一個特性。許多碰撞星群和星團都有一個由富含暗物質的宇宙預測的速度，而最初的例子—子彈星團運動速度特別地快。

當你知道宇宙的成分和控制宇宙的物理定律時，你就可以通過模擬來預測會出現什麼型別的大規模結構。當我們的模擬只考慮引力時，我們預測的最快的碰撞星系團的運動速度比子彈星系團慢；而在我們的宇宙中存在一個類似例子的可能性不到百萬分之一。

當我們聯想到宇宙這樣古怪的機率時，我們需要一個解釋。雖然宇宙所展示的情形可能只是因為我們的宇宙是一個彩票贏家，但這個觀察仍然提出了一個合理的問題。要麼是觀測結果有誤，要麼是其它原因，可能是某種物理機制，導致這種正常物質的加速超過了引力效應本身所能帶來的速度。

圖解：半人馬座A星系是一個距離地球最近的活躍星系例子，它的高能噴流是由圍繞中心黑洞的電磁加速度引起的。如果兩個碰撞星系團之間能夠存在大規模的電磁場，那麼它們就有可能產生比引力本身所允許的更大的粒子速度。(NASA/CXC/CFA/R.KRAFT 等)

一種可能性是大規模的電場或磁場。當帶電粒子(如質子和電子，它們幫助構成了宇宙中的正常物質)遇到電磁場時會加速。雖然星系團通常形成於宇宙細絲的交匯處，並由暗物質驅動，但也有正常物質存在，其中大部分以電離等離子體的形式存在。

運動中的帶電粒子一定會產生磁場。當物體落入星系團時，就會產生磁場和相對論的、快速運動的粒子，比如電子。當電子在磁場中快速運動時，它們會產生一種稱為同步輻射的特殊輻射。如果科學家能觀察到波長相符的光，就可以發現這種輻射。

圖解：碰撞星系團Abell399和Abell401的全尺寸影象顯示了X射線資料（紅色）、普朗克微波資料（黃色）和LOFAR無線電資料（藍色）。單個星系團清晰可辨，但一個由長達1000萬光年的磁場連線的相對論電子無線電射電橋是令人難以置信的耀眼。（M. MURGIA / INAF, BASED ON F. GOVONI 等人, 2019年, 科學雜誌）

在2019年6月7日發表在《科學》雜誌上的一項新研究中，科學家們首次使用羅瓦爾（Lofar）射電望遠鏡在一對碰撞星系團中精確地發現了這種效應。費德里卡·戈沃尼和她的同事們利用羅瓦爾觀測了星系團Abell0399和Abell0401之間的區域，並探測到了它們之間延伸的低頻無線電輻射脊。

這種輻射表明，既有連線兩個星團的磁場存在，也有一組將它們連線在一起的橫跨宇宙細絲相對論電子群的存在。這兩個星系團在太空中相距約1000萬光年，這將使這個磁場和它周圍的電子成為宇宙中已知的最大的這類結構之一。

圖解：根據普朗克衛星拍攝的影象(黃色)，連線Abell 399和Abell 401的熱氣體橋早在2012年就被發現。這是對跨越了星系空間，連線兩個星系團的熱氣體橋的首次確鑿發現。現在人們認為它在子彈星系團以及整個星系和星系團的形成中發揮著重要作用。(ESA/PLANCK COLLABORATION / STSCI/DSS）

這個射電脊比大多數簡單的模擬預測更大，但這對暗物質理論來說是一件好事情。對於我們觀察到的一些碰撞星團來說，最大的謎題是解釋這些粒子為什麼能夠加速到如此高的速度。同時，這兩個星系團之間巨大的磁場和電子橋表明了一種可以重新加速星系間氣體中存在粒子的機制:撞擊時產生的衝擊波。

戈沃尼和她的同事們進行的正是這種模擬。她的團隊展示了位於星系團之間已經在以接近光速移動的電子會因為衝擊波而重新加速。如果我們把這一發現應用到子彈星系團上，我們可以理所當然地認為，如果我們觀察那些發射了x射線的氣體，我們同時也應該會發現衝擊波。

圖解：子彈星系團的x射線觀測，由錢德拉x射線天文臺拍攝。注意圖片的白色部分，它顯示了被加熱到十分高溫的氣體，而這需要一個衝擊波來解釋。（NASA/CXC/CFA/M.MARKEVITCH等人，摘自MAXIM MARKEVITCH (SAO)）

你瞧，如果你親眼看到子彈星團的錢德拉影象，你首先會注意到這些震動！我們在一對相互碰撞的星團中發現了存在大規模磁場的相對論性帶電粒子，這一事實有力地表明了在其它星團中也存在同樣的效應。如果同樣的結構既存在於Abell 0399和Abell 0401之間，又存在於其它碰撞星團之間，那麼它就可以解決子彈狀星團的這一微小異常，使暗物質成為導致引力效應與正常物質存在不匹配的、唯一的、無可爭議的解釋。

每發現一種新現象時都意味著一個巨大的進步。然而，通過結合理論、模擬和對其他碰撞星系團的觀察，我們在了解宇宙這個整體上又前進了一步。這是暗物質的又一個驚人的勝利，也是宇宙中又一個最終可能會被現代天體物理學所解開的謎。這是一個多麼美好的時代啊。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. medium-流星魂- Dora冰