暗物质竟是一片“波浪”？中国科学家用类星体照出宇宙隐身者指纹

宇宙里有一种看不见、摸不着的东西，它不发光、不吸收光，也不反射光，却占据了全部物质的大约85%。

这就是困扰物理学界近百年的暗物质。科学家知道它存在，是因为它的引力牵动着星系的旋转和宇宙大尺度结构的形成。

然而，暗物质究竟由什么构成，至今没有答案，它甚至没有出现在粒子物理标准模型之中。

近日，由北京师范大学牵头、香港大学天体物理学家参与的研究团队，在《天体物理学杂志快报》上发表论文，首次直接从三维波动模拟中推导出引力透镜预测。

他们发现，如果暗物质是一种极轻的粒子，像波一样集体运动，那么它留下的“引力指纹”与一颗著名类星体的多重像位置吻合得更好。

当暗物质变成“模糊的波”

艺术家描绘了超轻暗物质产生的波状密度模式如何扭曲空间，并改变来自遥远光源的光线路径。当光线在前往地球的途中经过透镜天体时，其路径会因周围质量分布而发生扭曲。反射球体象征着暗物质尚未完全揭示的本质。该图像使用3D计算机图形软件创建。图片来源：Amruth Alfred

过去十年里，越来越多的天文观测暗示，暗物质可能由质量极其微小的粒子构成。这类粒子轻到难以想象，量子效应在星系尺度上都会显现出来。

正因为质量极低，这些粒子不再像一颗颗弹珠那样各自运动，而是像水面上的波纹一样集体起伏。

科学家给这种形式的暗物质起了一个形象的外号，叫作“模糊暗物质”。

波与波相遇时会发生干涉，有的地方彼此加强，有的地方相互抵消。于是，暗物质在空间中的分布不再平滑均匀，而是呈现出斑驳的颗粒状花纹。

这种不均匀的质量分布会改变引力对光线的弯折方式，进而可能让透镜成像的位置发生微小偏移。

这里需要先解释一下引力透镜。当一个大质量天体恰好位于我们和更遥远的光源之间时，它的引力会像放大镜一样弯折光线，让远处的星系呈现出扭曲的多重影像。

天文学家长期利用这种宇宙级“哈哈镜”来追踪暗物质，因为透镜的形状只取决于质量，而不管这些质量是否发光。

打个比方，普通的冷暗物质就像一团均匀的细沙，而模糊暗物质更像一池荡漾的水，表面布满此起彼伏的波纹。光线穿过这样的“水面”，走过的路径自然会多出一些细微的曲折。

一颗类星体给出的线索

以往把模糊暗物质与可观测现象联系起来时，研究者往往依赖简化模型。这一次，研究团队换了一条更硬核的路径。

他们用三维波动模拟，直接刻画超轻粒子相互作用产生的质量花纹，再从模拟结果中计算引力透镜效应。

这种做法的难点在于计算量极其庞大，因为波动的细节尺度很小，而透镜天体的尺度又很大，需要在同一个模拟中兼顾两者。

随后，研究人员把预测结果与一颗被反复研究过的类星体进行比对。类星体是星系中心极其明亮的核，它的光被前景天体弯折后，在天空中形成了多个像。

比对结果令人振奋，模糊暗物质模拟给出的像位置，比研究中测试的常用对照模型更贴近实际观测。

之所以选择类星体作为检验对象，是因为它的光极其明亮且集中，几乎可以看作一个点光源。点光源成像的位置可以被测得非常精确，哪怕极其微小的偏移也逃不过天文学家的眼睛。

这项工作起源于香港大学物理系及香港天体物理研究所的Jeremy Lim教授和Amruth Alfred博士对北京师范大学的学术访问。

在北师大朱宗宏教授课题组，他们与李正祥博士以及论文第一作者、博士生Jiajun Zhou展开了合作。

Lim教授坦言，团队事先并不知道模拟会给出怎样的可观测信号。他认为，这项结果为利用引力透镜探索暗物质本质开辟了全新的方向。

离揭开谜底还有多远

当然，这项研究并不意味着暗物质之谜已经解开，更好的吻合并不能确认这种神秘物质的真实身份。

一颗类星体、几个像的位置，只是一块拼图。要让模糊暗物质理论真正站稳脚跟，还需要更多透镜系统和更高分辨率的观测来反复检验。

此外，星系中普通物质的分布、观测误差以及其他暗物质模型的可能性，都需要被逐一排除。

值得肯定的是，这项工作把一个抽象的理论假说，转化成了天文学家可以动手测量的具体目标。

在此之前，学界围绕暗物质的主流图景是冷暗物质模型，它在宇宙大尺度上表现出色，但在星系核心等小尺度上一直面临一些难以解释的观测矛盾。

研究人员正把目光从像的位置扩展到其他可能的效应，比如透镜像的亮度变化。如果超轻粒子形成的波纹真实存在，它们或许也会在亮度上留下蛛丝马迹。

随着新一代大型望远镜陆续投入使用，高分辨率透镜观测数据将越来越丰富，宇宙这面巨大的“哈哈镜”或许终将照出暗物质的真面目。

从冷暗物质粒子到超轻的波动场，人类对暗物质的想象正在不断拓宽。无论最终答案如何，这场由一颗遥远类星体引发的探索，都让我们离宇宙最深处的秘密又近了一步。