新研究揭示了120亿年前星系周围的暗物质分布情况

科学家们调查了120亿年前的星系周围暗物质的性质，这些星系比以往任何时候都更久远。他们的发现提供了一种诱人的可能性，即在研究我们宇宙的早期历史时宇宙学的基本规则可能有所不同。这项合作由日本名古屋大学的科学家领导，研究结果已于日前发表在《Physical Review Letters》上。

看到这么久之前发生的事情是具有挑战性的。由于光速是有限的，我们看到的遥远的星系不是它们今天的样子，而是它们在数十亿年前的样子。但更困难的是观察暗物质--因为它不发光。

考虑一个遥远的源星系，甚至比目标星系更远，而我们想研究的是目标星系的暗物质。正如爱因斯坦的广义相对论所预测的那样，前景星系的引力--包括其暗物质--扭曲了周围的空间和时间。当来自源星系的光穿过这种扭曲的时空时，它就会弯曲并改变星系的表面形状。暗物质的数量越多，产生的扭曲就越大。因此，天文学家可以从扭曲中测量前景星系周围暗物质的数量。

然而超过一定的阈值，科学家就会遇到一个问题。在宇宙的最深处，星系是非常微弱的。因此，我们看的离地球越远，引力透镜技术的效果就越差。因为透镜的扭曲很微妙，在大多数情况下很难发现，所以需要许多背景星系来检测信号。

以前的大多数研究都停留在相同的极限。由于无法探测到足够遥远的源星系来测量失真，他们只能分析不超过80-100亿年前的暗物质。这些限制使得从这个时间到137亿年前，也就是我们的宇宙开始前后的暗物质的分布问题没有得到解决。

为了克服这些挑战，从宇宙的最远处观察暗物质，由名古屋大学的Hironao Miyatake领导的研究小组跟东京大学、日本国家天文台和普林斯顿大学合作使用了不同的背景光源，即大爆炸本身释放的微波。

首先，该小组通过利用斯巴鲁超级超光速相机调查(HSC)的观测数据，利用可见光确定了150万个透镜星系，这些星系被选为120亿年前的星系。

接下来，为了克服更远处的星系光的缺乏，他们采用了来自宇宙微波背景(CMB)的微波，即大爆炸的辐射残留物。通过利用ESA普朗克卫星观测到的微波，该小组测量了透镜星系周围的暗物质是如何扭曲微波的。

“看看遥远星系周围的暗物质？”东京大学的Masami Ouchi教授问道，“这是个疯狂的想法。没有人意识到我们可以做到这一点。但在我做了一个关于大型遥远星系样本的演讲之后，Hironao来找我，说也许可以用CMB来观察这些星系周围的暗物质。”

“大多数研究人员使用源星系来测量从现在到80亿年前的暗物质分布，”东京大学宇宙射线研究所的Yuichi Harikane助理教授补充道，“然而，我们可以进一步追溯到过去，因为我们使用更遥远的CMB来测量暗物质。这是第一次，我们几乎是从宇宙的最早时刻开始测量暗物质。”

经过初步分析，科学家们很快意识到，他们有足够大的样本来探测暗物质的分布。结合大型遥远星系样本和CMB的透镜扭曲，他们检测到暗物质的时间甚至更久远--从120亿年前开始。由于这仅仅是宇宙开始后的17亿年，所以这些星系在首次形成后不久就会被看到。

“我很高兴我们为那个时代打开了一扇新的窗口，”Miyatake说道，“120亿年前，事情是非常不同的。跟目前相比，你看到更多正在形成过程中的星系；第一个星系团也开始形成。星系团由100-1000个被引力束缚的星系和大量的暗物质组成。”

来自普林斯顿大学的尤金-希金斯天文学教授、天体物理科学教授和本科生研究主任Neta Bahcall指出：“这一结果给出了一幅非常一致的星系及其演化图景及星系内和周围的暗物质以及这一图景如何随着时间的推移而演变。”

这项研究中最令人兴奋的发现之一是跟暗物质的团聚性有关。根据宇宙学的标准理论，即Lambda-CDM模型，CMB的微妙波动通过引力吸引周围的物质而形成密集的物质池。这产生了不均匀的团块，在这些密集的区域形成了恒星和星系。该小组的研究结果表明，他们对团块的测量低于Lambda-CDM模型的预测。

Miyatake对这种可能性充满热情。“我们的发现仍是不确定的。但如果它是真的，它将表明，当你进一步回到过去时，整个模型是有缺陷的。这是令人兴奋的，因为如果在不确定因素减少后，这个结果仍成立，它可能暗示着对模型的改进，并可能会使人们了解暗物质本身的性质。”

“在这一点上，我们将尝试获得更好的数据以看看Lambda-CDM模型是否真的能够解释我们在宇宙中的观察结果，”普林斯顿大学的副研究学者Andrés Plazas Malagón说道，“其结果可能是我们需要重新审视这个模型中的假设。”

“使用大规模的调查来观察宇宙，如这项研究中使用的调查，其优势之一是你可以研究你在所得到的图像中看到的一切，从我们太阳系中的附近小行星到早期宇宙中最遥远的星系，”来自普林斯顿大学的天体物理学系教授兼系主任Michael Strauss表示，“你可以使用同样的数据来探索很多新问题。”

这项研究使用了现有望远镜提供的数据，包括普朗克和斯巴鲁。该小组只审查了1/3的斯巴鲁超级超微镜调查数据。下一步他们将分析整个数据集，这将使他们能够对暗物质分布进行更精确的测量。在未来，该团队期望使用像维拉-C-鲁宾天文台的空间和时间遗留调查(LSST)这样的先进数据集来探索更多最早的空间部分。“LSST将使我们能够观察到一半的天空。我看不出有什么理由我们接下来不能看到130亿年前的暗物质分布，”Harikane说道。