天文學(xué)家依托詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡最新觀測數(shù)據(jù)，繪制出人類目前精度最高的宇宙暗物質(zhì)分布圖，首次在大尺度上清晰呈現(xiàn)出橫跨數(shù)十億光年的“宇宙骨架”和由暗物質(zhì)構(gòu)成的隱形纖維網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《自然·天文學(xué)》，團(tuán)隊(duì)利用韋伯的紅外探測能力，對著名的COSMOS深空觀測區(qū)域中近80萬個(gè)星系進(jìn)行了長時(shí)間觀測與統(tǒng)計(jì)分析，借此重建出暗物質(zhì)如何自宇宙早期起主導(dǎo)大尺度結(jié)構(gòu)形成的詳細(xì)圖景。

暗物質(zhì)被認(rèn)為約占宇宙總物質(zhì)的五分之四，但本身既不發(fā)光也不吸收光，人類無法直接觀測，只能通過其對可見物質(zhì)和光線的引力效應(yīng)來“反推”其存在和分布。此次研究采用“弱引力透鏡效應(yīng)”方法：當(dāng)大尺度暗物質(zhì)在宇宙中形成絲狀聚集時(shí)，其引力會輕微彎曲來自更遠(yuǎn)處背景星系的光線，使這些星系在望遠(yuǎn)鏡成像中產(chǎn)生細(xì)微拉伸、扭曲，猶如透過哈哈鏡或起伏水面看到的倒影。科研團(tuán)隊(duì)在韋伯運(yùn)行首年中對同一片天空累計(jì)凝視255小時(shí)，通過對數(shù)十萬背景星系形狀畸變的精確統(tǒng)計(jì)，反演出前景暗物質(zhì)的分布，進(jìn)而生成高分辨率的暗物質(zhì)地圖。

這一觀測區(qū)域早在哈勃望遠(yuǎn)鏡時(shí)代就因用于研究星系形成和團(tuán)簇結(jié)構(gòu)而聞名，如今韋伯的紅外儀器將視野進(jìn)一步向更早的宇宙深處推進(jìn)，捕捉到更古老、更暗弱的早期星系，使科學(xué)家得以在時(shí)間維度上向前追溯暗物質(zhì)“搭建宇宙腳手架”的過程。研究負(fù)責(zé)人之一、美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Diana Scognamiglio表示，新地圖在與以往觀測結(jié)果保持整體一致的同時(shí)，分辨率和細(xì)節(jié)都有顯著提升，讓宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的“隱形框架”首度以如此清晰的方式呈現(xiàn)出來。

通過疊加暗物質(zhì)密度分布與星系分布，科研人員觀察到星系如同“串珠”般沿暗物質(zhì)纖維排列，驗(yàn)證了“重暗、輕明”的結(jié)構(gòu)演化圖景：先是暗物質(zhì)在宇宙早期形成不均勻團(tuán)塊和絲狀結(jié)構(gòu)，隨后其引力將普通物質(zhì)不斷匯聚，其密度在局部區(qū)域累積到足以點(diǎn)燃恒星、形成星系與行星系統(tǒng)。參與研究的英國達(dá)勒姆大學(xué)物理學(xué)家Richard Massey形象地指出，暗物質(zhì)構(gòu)成了宇宙中一切結(jié)構(gòu)的“引力腳手架”，銀河系等大型星系之所以能在數(shù)十億年間維持穩(wěn)定，很大程度上正是“掛”在這張由暗物質(zhì)織成的網(wǎng)之上。

新成果不僅提供了一幅震撼的宇宙“底圖”，也為未來探索暗物質(zhì)本性奠定了重要觀測基準(zhǔn)。未參與該研究的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)物理學(xué)家Rachel Mandelbaum指出，這批數(shù)據(jù)將長期為同行所利用，有助于回答宇宙物質(zhì)如何分布、星系如何在暗物質(zhì)框架下演化等基礎(chǔ)問題。接下來，歐洲航天局的Euclid空間望遠(yuǎn)鏡、美國計(jì)劃中的Nancy Grace Roman望遠(yuǎn)鏡，以及智利Vera C. Rubin天文臺等項(xiàng)目，將在更大天空區(qū)域、不同波段和更長時(shí)間尺度上開展巡天觀測，與韋伯提供的高精度暗物質(zhì)地圖相互印證與補(bǔ)充，推動構(gòu)建更完整的三維宇宙模型，并逐步逼近暗物質(zhì)粒子質(zhì)量、運(yùn)動特性等關(guān)鍵物理屬性的真相。