韋伯：暗物質，以為我看不見你嗎？！

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原作：Brooks Mendenhall

翻譯：鐘藝

校譯：呂梓欣

編排：劉斯媛

后臺：朱宸宇

https://www.astronomy.com/science/new-dark-matter-map-shows-the-universe-in-detail/

科學家利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）制作出了有史以來最大、分辨率最高的暗物質地圖，為宇宙的演化提供了新的線索。

一張全新的、利用JWST數據制作的的高精度地圖，揭示了宇宙中不可見的暗物質結構。通過追蹤引力對光線的彎曲，研究人員繪制出了暗物質所在的位置。等密度線顯示了密度相同的區域，而藍色部分標記了這片0.54平方度天空區域中暗物質濃度最高的區域。（圖片來源：Gavin Leroy博士 / COSMOS-Webb合作團隊）

借助這張全新的高精度的暗物質地圖，科學家們對暗物質有了更清晰的認知，在這張地圖中，不可見的暗物質無所遁形。這張地圖利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）在COSMOS-Web（宇宙網）巡天項目中獲得的成像數據，繪制出了一片無縫覆蓋0.54平方度天空區域的宇宙暗物質高精度分布圖——這是同類地圖中最大的一張。這張地圖通過觀測這種不可見物質對周圍空間的扭曲繪制而成，其分辨率是之前地圖的兩倍，揭示了星系團、暗物質的纖維結構，甚至還有此前從未被發現的微弱星系群。該研究團隊的成果已于1月26日發表在《自然·天文學》（Nature Astronomy）雜志上。

“這張出自COSMOS-Web項目的地圖以前所未有的精度，展現了宇宙中暗物質的主體結構。”美國航天局噴氣推進實驗室（JPL）的宇宙學家、該研究共同第一作者Diana Scognamiglio告訴《天文學》（Astronomy）雜志，“它揭示了暗物質在星系團中聚集的位置、這些星系團之間的連接方式，以及大片空洞區域的分布情況。這是第一次在大面積范圍內觀測到宇宙網的精細結構，甚至還能探測到以往地圖中未被發現的物質聚集區域。”

01

如何在黑暗中“看”見

根據目前被稱為Lambda-CDM或ΛCDM模型的標準宇宙學模型，暗物質約占宇宙總物質的85%，是宇宙結構的支架。它的引力作用決定了普通物質的聚集位置，甚至能夠維系其結構的穩定。正如杜倫大學宇宙學家、共同作者Richard Massey在一篇新聞稿中提到：“環繞銀河系的暗物質旋渦云擁有足夠的引力，借助它，我們的星系才得以凝聚在一起。如果沒有暗物質，銀河系將會自行解體。”

但暗物質既不發光也不吸收光線，因此無法用常規望遠鏡進行觀測。為了定位暗物質，科學家使用了弱引力透鏡（weak gravitational lensing）技術。當來自遙遠天體的光線傳播至地球途中經過質量源時，中間質量體的引力會使背景光發生偏折和放大，導致觀測到的圖像產生扭曲。這一現象就被稱為弱引力透鏡效應，其扭曲程度取決于中間質量的大小。

在強引力透鏡效應中，光線會被顯著彎曲，從而產生諸如弧形和環形等獨特的現象。而在弱引力透鏡效應中，扭曲的程度要小得多，僅造成圖像的輕微形變。通過精確測量這種微小形變，科學家們即便完全看不見，也能推算出中間的物質。如果對整片天空各處天體的扭曲效應進行測量，比如背景星系的形狀，就能繪制出不可見物質（即暗物質）的分布圖。

一言以蔽之，測量出的背景星系越多，暗物質的分布圖就越詳細。

之前的暗物質地圖主要依賴地面望遠鏡或哈勃太空望遠鏡的觀測數據。受地球大氣模糊效應的影響，地面望遠鏡所能觀測到的天空分辨率有限，每平方角分（1平方度 = 3600平方角分）通常只能分辨出不到20個星系的形狀。而如果從大氣層上方借助哈勃望遠鏡進行觀測，每平方角分能分辨出約71個星系。但這兩種觀測方法都遠遜于JWST，JWST每平方角分能分辨約129個星系。

這組并排對比圖展示了用哈勃望遠鏡（左）和JWST（右）繪制的暗物質分布情況。白色輪廓線表示暗物質的等密度區域，藍色區域為暗物質濃度最高處。這兩張圖清楚地展示了JWST遠超哈勃望遠鏡的分辨率和精確度。（圖片來源：Gavin Leroy博士 / Richard Massey教授 / COSMOS-Webb合作團隊）

02

橋梁與節點

這張新的JWST暗物質地圖測量了約25萬個星系，覆蓋了0.54平方度天空區域。它展現了一個復雜的圖像，其中包括星系團之間延伸的纖維狀的“橋狀”結構。這些暗物質纖維就像宇宙的骨骼，氣體和星系沿著它們分布。該地圖還發現了此前因距離太遠或亮度太低而無法被其他望遠鏡觀測的低質量星系群。

暗物質形成了宇宙的隱形框架，構成了龐大的宇宙網。在這張數字模擬圖中，發亮的黃色區域是暗物質最密集的團塊，星系和星系團就在其中形成。（圖片來源：Ralf Kaehler / SLAC國家加速器實驗室 / 美國自然歷史博物館）

“這些纖維就像一張巨型宇宙蜘蛛網上的蛛絲。網中的粗結是星系團，連接它們的絲線就是纖維。在ΛCDM模型中，暗物質在引力作用下坍縮形成這張網，而普通物質，如氣體和星系，則沿著這些纖維分布。”Scognamiglio說道。

“這張地圖是基于背景星系所推算出的天空中總質量分布的二維圖像。它向我們展示了暗物質在空間中的分布情況。”Scognamiglio說道。根據ΛCDM模型，星系會在暗物質纖維上的“粗結”或節點處形成，而這張新地圖似乎也證實了該模型對暗物質本質的其中一種關鍵預測。

03

建立新標準

這張地圖前所未有的細節和分辨率，讓我們得以一窺80–110億年前，一個比之前所有的觀測結果都要久遠的時間，星系與暗物質纖維的演化過程。這有助于我們了解這些結構在宇宙恒星形成的高峰期的相互影響。

憑借如此清晰的觀測結果，這張地圖為未來所有理論和模擬設定了一個新的基準。“它讓理論學家和觀測者能夠直接將宇宙學模擬的詳細預測與真實數據進行對比，有助于檢驗模型對結構增長描述的準確度，并尋找可能暗示新物理現象的細微偏差。”Scognamiglio說道。

雖然這張新地圖提供了前所未有的暗物質細節，但它僅覆蓋了天空的一小部分。不過，正如Scognamiglio所說，這只是開始。

“雖然JWST只在相對較小的區域提供了超高分辨率的觀測，但未來歐空局的歐幾里得空間望遠鏡和美國航天局的南希·格雷絲·羅曼空間望遠鏡將會在更廣闊的天空區域應用類似的弱引力透鏡技術。”Scognamiglio指出，“這些項目的觀測結果結合在一起將會組成一張覆蓋宇宙廣闊區域的暗物質分布圖，屆時我們將從詳細的個案研究進入到對宇宙網真正的整體觀測。”

責任編輯：DAIKIN

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圖片來源：NASA

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