天文學家首次繪制出一幅分辨率前所未有的宇宙暗物質(zhì)地圖，勾勒出這一“隱形物質(zhì)”如何搭起宇宙大尺度結構的“骨架”，進而塑造星系、恒星乃至行星和生命誕生的舞臺。這項研究由英國杜倫大學、美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）以及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）聯(lián)合牽頭，相關成果于1月26日發(fā)表在《自然·天文學》期刊上。

最新成果基于詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的觀測數(shù)據(jù)，研究團隊在天空中一片位于六分儀座、約相當于2.5個滿月大小的區(qū)域內(nèi)，重建出暗物質(zhì)的精細分布。這一視場內(nèi)共識別出近80萬座星系，遠超以往地面望遠鏡的同一區(qū)域巡天，也比哈勃太空望遠鏡此前的觀測多出一倍，為暗物質(zhì)繪圖提供了前所未有的統(tǒng)計基礎。

在宇宙早期，暗物質(zhì)和普通物質(zhì)都被認為極為稀薄地彌散在空間中。理論認為，暗物質(zhì)先一步在引力作用下發(fā)生聚集，形成一個個“引力井”，把普通物質(zhì)向這些高密度區(qū)域拉攏聚集。這些區(qū)域隨后演化為恒星與星系的誕生地，決定了我們今天在宇宙中看到的星系大尺度排布格局。正是暗物質(zhì)在早期的“搶跑”，讓恒星和星系形成得更早，也為像地球這樣的行星以及孕育生命所需的各種元素創(chuàng)造了條件。

暗物質(zhì)本身既不發(fā)光、也不反射或吸收光線，也不會與普通物質(zhì)發(fā)生電磁相互作用，因此無法被望遠鏡直接“看見”。科學家只能借助引力透鏡效應來“看”它：當光線從遙遠背景星系發(fā)出、穿越含有大量暗物質(zhì)的空間區(qū)域時，會在暗物質(zhì)引力作用下發(fā)生偏折與形變，猶如透過一塊不規(guī)則玻璃看物體那樣產(chǎn)生畸變。研究團隊利用韋伯望遠鏡卓越的空間分辨率，對這一畸變效應進行高精度測量，從而反演出暗物質(zhì)在視場中的分布，并以等密度“等高線”形式呈現(xiàn)出暗物質(zhì)最為集中的區(qū)域。

最新繪制出的暗物質(zhì)地圖與此前哈勃望遠鏡在同一視場上得到的結果相比，分辨率提高了約兩倍，細節(jié)顯著增強。這幅新圖不僅揭示出此前未知的暗物質(zhì)濃集結構，也讓已知結構的輪廓更加清晰，顯示出暗物質(zhì)在宇宙中如同一張無形“腳手架”，托舉著可見星系和星系團生長。研究人員指出，從大尺度來看，暗物質(zhì)分布與普通物質(zhì)（星系、星系團等）的空間分布高度吻合，這種對應關系遠非偶然，進一步印證了暗物質(zhì)通過引力長期“牽引”普通物質(zhì)演化的圖景。

來自杜倫大學計算宇宙學研究所的合著者加文·勒羅伊（Gavin Leroy）表示，這幅地圖以前所未有的精度揭示了暗物質(zhì)如何一步步將可見物質(zhì)組織成我們今天看到的宇宙結構，使得星系、恒星最終乃至生命得以出現(xiàn)。他形容暗物質(zhì)是“宇宙的真正建筑師”，在漫長的宇宙歷史中持續(xù)塑形。同一機構的理查德·馬西（Richard Massey）則指出，今天宇宙中凡是有普通物質(zhì)聚集的地方，幾乎都能找到暗物質(zhì)的身影。按照現(xiàn)有理論，每秒都有數(shù)十億暗物質(zhì)粒子不知不覺地穿過人體，卻不會產(chǎn)生任何直接效應；但在銀河系尺度上，環(huán)繞銀河系的暗物質(zhì)“云團”卻提供了足以將整個星系緊緊束縛在一起的引力，否則銀河系在高速自轉下早已“離心解體”。

此次暗物質(zhì)制圖依托的是韋伯望遠鏡多臺科學儀器，其中包括中紅外儀器MIRI。杜倫大學河外天文學中心參與了MIRI的研制工作，該儀器由JPL負責設計并在發(fā)射前進行管理。中紅外觀測對于那些被厚厚星際塵埃遮蔽的暗弱星系尤為敏感，從而大幅提升了該區(qū)域內(nèi)星系樣本的完備性和距離測量精度。

新地圖所覆蓋的COSMOS視場早在2007年就曾由哈勃望遠鏡完成首個詳細暗物質(zhì)分布重建，被視為研究宇宙大尺度結構的經(jīng)典樣本區(qū)。此次韋伯望遠鏡的高分辨率版本則被嵌在早期哈勃結果之中，形成“內(nèi)嵌放大”的結構，成為未來所有暗物質(zhì)地圖的重要標尺和參照場。研究團隊計劃在此基礎上，利用歐洲航天局的歐幾里得（Euclid）太空望遠鏡以及美國宇航局即將升空的南�！じ窭姿埂ち_曼（Nancy Grace Roman）太空望遠鏡，將暗物質(zhì)制圖工作擴展到整個可見宇宙尺度。這些即將展開的大規(guī)模巡天任務有望進一步厘清暗物質(zhì)的基本性質(zhì)及其在宇宙歷史中的演化行為。

編譯自/ScitechDaily