宇宙“隱形骨架”首現真容 詹姆斯·韋伯繪制迄今最清晰暗物質地圖

天文學家首次繪制出一幅分辨率前所未有的宇宙暗物質地圖，勾勒出這一“隱形物質”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）以及瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）聯合牽頭，相關成果于1月26日發表在《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）的觀測數據，研究團隊在天空中一片位于六分儀座、約相當于2.5個滿月大小的區域內，重建出暗物質的精細分布。這一視場內共識別出近80萬座星系，遠超以往地面望遠鏡的同一區域巡天，也比哈勃太空望遠鏡此前的觀測多出一倍，為暗物質繪圖提供了前所未有的統計基礎。

在宇宙早期，暗物質和普通物質都被認為極為稀薄地彌散在空間中。理論認為，暗物質先一步在引力作用下發生聚集，形成一個個“引力井”，把普通物質向這些高密度區域拉攏聚集。這些區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造了條件。

暗物質本身既不發光、也不反射或吸收光線，也不會與普通物質發生電磁相互作用，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出、穿越含有大量暗物質的空間區域時，會在暗物質引力作用下發生偏折與形變，猶如透過一塊不規則玻璃看物體那樣產生畸變。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，從而反演出暗物質在視場中的分布，并以等密度“等高線”形式呈現出暗物質最為集中的區域。

最新繪制出的暗物質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，細節顯著增強。這幅新圖不僅揭示出此前未知的暗物質濃集結構，也讓已知結構的輪廓更加清晰，顯示出暗物質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，暗物質分布與普通物質（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通過引力長期“牽引”普通物質演化的圖景。

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如何一步步將可見物質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。他形容暗物質是“宇宙的真正建筑師”，在漫長的宇宙歷史中持續塑形。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聚集的地方，幾乎都能找到暗物質的身影。按照現有理論，每秒都有數十億暗物質粒子不知不覺地穿過人體，卻不會產生任何直接效應；但在銀河系尺度上，環繞銀河系的暗物質“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域內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分布重建，被視為研究宇宙大尺度結構的經典樣本區。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“內嵌放大”的結構，成為未來所有暗物質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希·格雷斯·羅曼（Nancy Grace Roman）太空望遠鏡，將暗物質制圖工作擴展到整個可見宇宙尺度。這些即將展開的大規模巡天任務有望進一步厘清暗物質的基本性質及其在宇宙歷史中的演化行為。

編譯自/ScitechDaily