宇宙“隐形骨架”首现真容 詹姆斯·韦伯绘制迄今最清晰暗物质地图

天文学家首次绘制出一幅分辨率前所未有的宇宙暗物质地图，勾勒出这一“隐形物质”如何搭起宇宙大尺度结构的“骨架”，进而塑造星系、恒星乃至行星和生命诞生的舞台。这项研究由英国杜伦大学、美国宇航局喷气推进实验室（JPL）以及瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）联合牵头，相关成果于1月26日发表在《自然·天文学》期刊上。

最新成果基于詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的观测数据，研究团队在天空中一片位于六分仪座、约相当于2.5个满月大小的区域内，重建出暗物质的精细分布。这一视场内共识别出近80万座星系，远超以往地面望远镜的同一区域巡天，也比哈勃太空望远镜此前的观测多出一倍，为暗物质绘图提供了前所未有的统计基础。

在宇宙早期，暗物质和普通物质都被认为极为稀薄地弥散在空间中。理论认为，暗物质先一步在引力作用下发生聚集，形成一个个“引力井”，把普通物质向这些高密度区域拉拢聚集。这些区域随后演化为恒星与星系的诞生地，决定了我们今天在宇宙中看到的星系大尺度排布格局。正是暗物质在早期的“抢跑”，让恒星和星系形成得更早，也为像地球这样的行星以及孕育生命所需的各种元素创造了条件。

暗物质本身既不发光、也不反射或吸收光线，也不会与普通物质发生电磁相互作用，因此无法被望远镜直接“看见”。科学家只能借助引力透镜效应来“看”它：当光线从遥远背景星系发出、穿越含有大量暗物质的空间区域时，会在暗物质引力作用下发生偏折与形变，犹如透过一块不规则玻璃看物体那样产生畸变。研究团队利用韦伯望远镜卓越的空间分辨率，对这一畸变效应进行高精度测量，从而反演出暗物质在视场中的分布，并以等密度“等高线”形式呈现出暗物质最为集中的区域。

最新绘制出的暗物质地图与此前哈勃望远镜在同一视场上得到的结果相比，分辨率提高了约两倍，细节显著增强。这幅新图不仅揭示出此前未知的暗物质浓集结构，也让已知结构的轮廓更加清晰，显示出暗物质在宇宙中如同一张无形“脚手架”，托举着可见星系和星系团生长。研究人员指出，从大尺度来看，暗物质分布与普通物质（星系、星系团等）的空间分布高度吻合，这种对应关系远非偶然，进一步印证了暗物质通过引力长期“牵引”普通物质演化的图景。

来自杜伦大学计算宇宙学研究所的合著者加文·勒罗伊（Gavin Leroy）表示，这幅地图以前所未有的精度揭示了暗物质如何一步步将可见物质组织成我们今天看到的宇宙结构，使得星系、恒星最终乃至生命得以出现。他形容暗物质是“宇宙的真正建筑师”，在漫长的宇宙历史中持续塑形。同一机构的理查德·马西（Richard Massey）则指出，今天宇宙中凡是有普通物质聚集的地方，几乎都能找到暗物质的身影。按照现有理论，每秒都有数十亿暗物质粒子不知不觉地穿过人体，却不会产生任何直接效应；但在银河系尺度上，环绕银河系的暗物质“云团”却提供了足以将整个星系紧紧束缚在一起的引力，否则银河系在高速自转下早已“离心解体”。

此次暗物质制图依托的是韦伯望远镜多台科学仪器，其中包括中红外仪器MIRI。杜伦大学河外天文学中心参与了MIRI的研制工作，该仪器由JPL负责设计并在发射前进行管理。中红外观测对于那些被厚厚星际尘埃遮蔽的暗弱星系尤为敏感，从而大幅提升了该区域内星系样本的完备性和距离测量精度。

新地图所覆盖的COSMOS视场早在2007年就曾由哈勃望远镜完成首个详细暗物质分布重建，被视为研究宇宙大尺度结构的经典样本区。此次韦伯望远镜的高分辨率版本则被嵌在早期哈勃结果之中，形成“内嵌放大”的结构，成为未来所有暗物质地图的重要标尺和参照场。研究团队计划在此基础上，利用欧洲航天局的欧几里得（Euclid）太空望远镜以及美国宇航局即将升空的南希·格雷斯·罗曼（Nancy Grace Roman）太空望远镜，将暗物质制图工作扩展到整个可见宇宙尺度。这些即将展开的大规模巡天任务有望进一步厘清暗物质的基本性质及其在宇宙历史中的演化行为。

编译自/ScitechDaily