利用全球望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，天文學(xué)家探測(cè)到了迄今為止宇宙中所發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最低的暗天體。如果能夠找到更多此類天體并揭示其本質(zhì)，那么一部分關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)的理論假說可能將被排除。相關(guān)研究結(jié)果已于近期以兩篇論文的形式發(fā)表于《自然·天文學(xué)》和《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上。

宇宙中的低質(zhì)量天體

ΛCDM模型，是宇宙學(xué)的主流模型。在這個(gè)模型中，宇宙的組成成分有三種：普通物質(zhì)僅占宇宙的5%，包括恒星、行星、氣體、塵埃等我們能觀測(cè)到的物質(zhì)；約25%是由本質(zhì)未知的暗物質(zhì)構(gòu)成；還有高達(dá)約70%則是由同樣神秘的暗能量構(gòu)成。

ΛCDM模型非常成功地解釋了大尺度宇宙結(jié)構(gòu)和膨脹歷史。但在比星系更小的尺度上，支持ΛCDM模型的觀測(cè)證據(jù)目前還不確定。原因在于：普通物質(zhì)、輻射和暗物質(zhì)之間存在非常復(fù)雜、非線性的相互作用，使模型預(yù)測(cè)和實(shí)際觀測(cè)難以完全匹配。

要在低質(zhì)量天體（不超過約10?倍太陽質(zhì)量）范圍內(nèi)檢驗(yàn)ΛCDM，有一個(gè)核心難題：這些天體通常又遠(yuǎn)又暗，很難準(zhǔn)確測(cè)量它們的亮度、大小和總質(zhì)量。

對(duì)于會(huì)發(fā)光的低質(zhì)量天體，例如超致密矮星系和球狀星團(tuán)，天文學(xué)家目前只能在近域宇宙中直接看到它們。相比之下，利用星系團(tuán)的強(qiáng)引力透鏡的放大效應(yīng)，已經(jīng)幫助科學(xué)家能在極早期宇宙探測(cè)到一些更遙遠(yuǎn)的天體，例如矮星系、星團(tuán)，甚至是單顆恒星。

引力透鏡效應(yīng)：遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光在經(jīng)過地球與星系之間的大質(zhì)量星系團(tuán)時(shí)，由于星系團(tuán)的強(qiáng)大引力會(huì)扭曲時(shí)空，所以光的路徑也會(huì)發(fā)生彎曲。（圖/L. Hustak, STScI）

不過，這類觀測(cè)僅對(duì)這些天體發(fā)出的光敏感，無法直接測(cè)量它們所包含的總質(zhì)量，特別是暗物質(zhì)部分，只能通過間接方式推算。

除此之外，還有一些低質(zhì)量天體本身是不發(fā)光的，例如暗物質(zhì)暈或孤立的中等質(zhì)量黑洞，它們不會(huì)產(chǎn)生可觀測(cè)的電磁信號(hào)，因此更難被發(fā)現(xiàn)。

但強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)，為研究幾乎不發(fā)光或完全沒有電磁輻射的低質(zhì)量天體，提供了一條強(qiáng)有力的研究途徑。

來自“地球級(jí)望遠(yuǎn)鏡”的突破

JVAS B1938+666是一個(gè)強(qiáng)引力透鏡系統(tǒng)。前景中有一顆早型星系，它使得來自更遠(yuǎn)處的背景星系發(fā)出的光和射電信號(hào)都產(chǎn)生了引力透鏡效應(yīng)。

在新的研究中，為了尋找JVAS B1938+666系統(tǒng)中是否還存在其他低質(zhì)量暈，研究團(tuán)隊(duì)使用了由全球多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成的網(wǎng)絡(luò)，其中包括綠岸射電望遠(yuǎn)鏡（GBT）、甚長(zhǎng)基線陣（VLBA）和歐洲甚長(zhǎng)基線干涉網(wǎng)（EVN），這些設(shè)備共同構(gòu)成了一個(gè)相當(dāng)于“地球尺度”的超級(jí)望遠(yuǎn)鏡，用以捕捉暗天體引力透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的微弱信號(hào)。

為了處理規(guī)模極其龐大且復(fù)雜的觀測(cè)數(shù)據(jù)，他們還開發(fā)了必須在超級(jí)計(jì)算機(jī)上才能運(yùn)行的全新建模算法。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，包括銀河系在內(nèi)的每個(gè)星系，都布滿了暗物質(zhì)小團(tuán)塊，這意味著需要大量繁重的數(shù)值計(jì)算工作。

他們采用了一種名為“引力成像”（GI）的特殊技術(shù)，這是一種基于像素化的非參數(shù)建模手段，可用于在強(qiáng)透鏡系統(tǒng)中識(shí)別局部質(zhì)量過密的區(qū)域。

黑色環(huán)狀結(jié)構(gòu)及中心點(diǎn)為遠(yuǎn)方星系在引力透鏡作用下的紅外成像，橙紅色區(qū)域?yàn)橥恍窍档纳潆娸椛洹７糯髨D顯示了由另一顆更小的暗引力透鏡引起的弧線收縮（白色斑點(diǎn)所示）。（圖/Keck/EVN/GBT/VLBA）

結(jié)果是，在第一張高分辨率圖像中，他們立刻注意到引力弧出現(xiàn)“收縮”的現(xiàn)象，而這正是提示有可能發(fā)現(xiàn)異常的關(guān)鍵跡象。而且不論如何調(diào)整模型參數(shù)，它都穩(wěn)定存在，因此可信度很高。唯一能造成這種現(xiàn)象的，是在地球與那個(gè)遙遠(yuǎn)射電星系之間，存在一個(gè)額外的小質(zhì)量攝動(dòng)體。

研究結(jié)果表明，這個(gè)神秘天體的質(zhì)量約為10?倍的太陽質(zhì)量，位于距離地球約100億光年的宇宙深處。這是迄今利用該技術(shù)發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最低的天體，其質(zhì)量比此前通過類似方法探測(cè)到的天體低約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

這一天體不發(fā)出任何光或其他輻射，但關(guān)于其真實(shí)屬性仍不得而知：它可能是一個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)，也可能是一個(gè)極為緊致、處于靜止?fàn)顟B(tài)的矮星系。

暗物質(zhì)理論或面臨篩選

研究團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，以便更好地理解這個(gè)神秘的暗物體究竟屬于何種性質(zhì)；同時(shí)，他們也正在觀測(cè)天空的其他區(qū)域，嘗試用同樣的方法尋找更多類似的低質(zhì)量暗天體。

發(fā)現(xiàn)這類低質(zhì)量天體對(duì)于理解暗物質(zhì)的本質(zhì)至關(guān)重要。暗物質(zhì)除了引力效應(yīng)外幾乎無法被直接感知，但科學(xué)界認(rèn)為，它決定了星系、恒星及其他可見天體在宇宙中的分布格局。天文學(xué)家關(guān)心的核心問題之一是：暗物質(zhì)是否能夠在沒有恒星存在的情況下，以小團(tuán)塊形式獨(dú)立存在？這一問題的答案可能驗(yàn)證或推翻部分暗物質(zhì)理論。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41550-025-02651-2

https://doi.org/10.1093/mnrasl/slaf039

https://www.ucdavis.edu/news/astronomers-find-mystery-dark-object-distant-universe

https://www.mpg.de/25518363/1007-asph-astronomers-image-a-mysterious-dark-object-in-the-distant-universe-155031-x?c=2249

#圖片來源：

封面圖&首圖：Keck/EVN/GBT/VLBA