宇宙的隐形骨架终于揭开面纱，看韦伯望远镜的新成就

你现在正坐着或站着的地方,每秒钟都有数十亿个暗物质粒子从你的身体穿过。它们不会伤害你,因为它们根本不在意你的存在,就像幽灵一样径直穿行。但正是这些看不见、摸不着的粒子,构建了你所能看到的一切宇宙结构的基础框架。

杜伦大学、美国宇航局喷气推进实验室和瑞士洛桑联邦理工学院的联合研究团队刚刚发布了迄今为止最精细的暗物质分布图。这张发表在《自然·天文学》上的地图,揭示了宇宙中85%的物质是如何在暗处默默编织星系、恒星甚至生命本身的诞生舞台。

透过扭曲的空间看见隐形的巨人

暗物质从不发光,也不反射光线,更不会吸收或阻挡任何电磁辐射。它就像科幻小说中的幽灵物质,可以毫无阻碍地穿过普通物质。那么科学家是如何为一种完全隐形的东西绘制地图的？答案藏在爱因斯坦的广义相对论里。

质量会弯曲周围的时空结构,就像一个保龄球压在蹦床上会让表面凹陷。当光线穿过这些被弯曲的空间区域时,传播路径会发生偏折,就像透过一块扭曲的玻璃看东西会产生变形。研究团队观测了近80万个遥远星系,仔细测量它们形状的细微扭曲,通过这些扭曲反推出沿视线方向暗物质的分布。

哈勃太空望远镜（左）和詹姆斯·韦伯太空望远镜（右）观测到的 COSMOS 场中的暗物质分布。图片来源：Gavin Leroy 博士/Richard Massey 教授/COSMOS-Webb 合作项目

詹姆斯·韦伯太空望远镜在一片相当于2.5个满月大小的天空区域上,持续观测了255个小时。这个名为COSMOS的天区位于六分仪座方向,是天文学家长期监测的经典区域。韦伯望远镜的中红外仪器MIRI在这次观测中发挥了关键作用,它能穿透厚重的宇宙尘埃云,看到那些被遮挡的星系。

与2007年哈勃太空望远镜对同一区域的观测相比,新地图的分辨率提高了整整一倍。那些在哈勃图像中模糊成一片的暗物质团块,现在呈现出清晰的纤维状结构和节点。研究共同第一作者、喷气推进实验室的戴安娜·斯科尼亚米格里奥说,这是他们用韦伯望远镜绘制的最大暗物质图,清晰度是其他天文台任何暗物质图的两倍。

地图显示,暗物质并非均匀分布在宇宙空间,而是形成了复杂的网状结构。有些区域暗物质高度聚集,形成巨大的节点,而节点之间由细长的暗物质丝线连接,构成宇宙的骨架。更重要的是,普通物质的分布与暗物质的分布高度一致,哪里暗物质密集,哪里就有更多的星系聚集。

从虚空到繁星的引力编舞

这种一致性不是巧合,而是揭示了宇宙演化的基本机制。在大爆炸之后的早期宇宙中,暗物质和普通物质都稀薄地弥散在空间里。但暗物质有一个关键优势,它不与光相互作用,因此可以更早开始在引力作用下聚集。

这张地图展示了哈勃太空望远镜（左）和詹姆斯·韦伯太空望远镜（右）观测到的 COSMOS 场中的暗物质分布。图中叠加的等值线标示了暗物质密度相等的区域，突显了这种不可见物质（图中以蓝色显示）最集中的区域。图片来源：Gavin Leroy 博士/Richard Massey 教授/COSMOS-Webb 合作项目

当暗物质开始形成密度较高的团块时,这些区域产生的引力井就像漩涡一样,将周围的普通物质吸引过来。普通物质落入这些引力井后,会因摩擦和碰撞而升温,最终点燃核聚变,形成第一批恒星。这些恒星又通过核反应合成了碳、氧、铁等重元素,为后来行星和生命的出现准备了原料。

研究共同第一作者、杜伦大学的加文·勒罗伊解释说,暗物质是宇宙真正的建筑师,它逐渐组织了我们通过望远镜观察到的结构。如果没有暗物质提前搭建好引力框架,星系的形成会慢得多,或许根本无法在宇宙的有生之年形成足够复杂的结构来孕育生命。

这个过程一直持续到今天。杜伦大学的理查德·马西教授指出,在当今宇宙中,无论你在哪里发现普通物质,你也会发现暗物质。银河系外围包裹着一个巨大的暗物质晕,它的引力将整个星系维系在一起。如果没有这个暗物质晕,银河系会因为旋转离心力而四分五裂,太阳系也就不复存在。

从一张图到整个宇宙的肖像

利用詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据，天文学家绘制出了迄今为止最详细的暗物质分布图之一。通过测量不可见物质的引力如何弯曲背景星系的光线，该图揭示了暗物质如何作为可见星系赖以存在的隐藏框架。叠加的等值线标记了暗物质密度相等的区域，突显了这种不可见物质（图中以蓝色显示）最集中的区域。图片来源：Gavin Leroy 博士/COSMOS-Webb 合作项目

这张新地图虽然只覆盖了天空中很小的一片区域,但它为未来的大规模巡天提供了黄金标准。欧洲航天局的欧几里得望远镜和美国宇航局计划中的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜,都将在未来几年绘制覆盖整个天空的暗物质分布图。

这些更大规模的巡天将帮助科学家回答一些基本问题。暗物质究竟是由大量缓慢移动的重粒子组成,还是由轻快的粒子构成？暗物质的分布随时间如何演化？暗物质与神秘的暗能量之间有什么关系？暗能量正在加速宇宙的膨胀,与暗物质的聚集效应形成竞争。

图中，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）拍摄的暗物质分布图被置于2007年哈勃太空望远镜（HST）拍摄的原始分布图内。图片来源：Gavin Leroy博士/Richard Massey教授/COSMOS-Webb合作项目

韦伯望远镜的这张精细地图还将作为校准基准。当其他望远镜在更大范围内观测时,可以用COSMOS天区的结果来验证自己的测量精度。这就像在绘制世界地图之前,先精确测量一小块标准地块,确保后续测绘工作的准确性。

利用詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据，天文学家绘制出了迄今为止最详细的暗物质分布图之一。通过测量不可见物质的引力如何弯曲背景星系的光线，该图揭示了暗物质如何作为可见星系赖以存在的隐藏框架。图片来源：Gavin Leroy博士/Richard Massey教授/COSMOS-Webb合作项目

从某种意义上说,这张暗物质地图是人类认知边界的又一次拓展。我们生活的宇宙中,构成我们身体、地球、太阳和所有可见星系的普通物质,只占全部物质的15%。那些看不见的85%一直在暗处默默工作,塑造着宇宙的过去、现在和未来。

现在,借助韦伯望远镜的红外眼睛和爱因斯坦的引力理论,我们终于能够窥见这个隐形骨架的真实面貌。那些每秒穿过我们身体的幽灵粒子,原来正在宇宙尺度上编织着一张宏伟的网,将混沌的虚空变成充满秩序和生机的家园。