在尋找暗物質時，天文學家不得不進行某種“幽靈式搜尋”。那是因為暗物質是一種看不見的物質，無法直接看到。然而，它又構成了宇宙質量的大部分，并形成了建立星系的框架。暗物質是將星系和星系團聚在一起的引力“膠水”。天文學家可以通過測量它的引力如何影響恒星和星系來間接地探測到它的存在。

這種神秘的物質與構成恒星、行星和人類的物質不同。該物質是正常的“重子”物質，由電子、質子和中子組成。但是，暗物質可能是某種未知的亞原子粒子，與正常物質的相互作用較弱。

一種流行的理論認為，暗物質粒子的移動速度不是很快，這使它們更容易聚集在一起。根據這個理論，宇宙中暗物質的濃度范圍很廣，從小到大。

天文學家已經探測到暗物質聚集在大星系和中型星系周圍。現在，利用哈勃望遠鏡和一項新的觀測技術，天文學家發現暗物質形成的團塊比以前所知的要小得多。

研究人員通過測量來自遙遠類星體的光在空間中傳播時是如何受到影響的，在哈勃望遠鏡的數據中尋找少量的暗物質。類星體是非常遙遠的星系中明亮的黑洞供電核心。哈勃望遠鏡的圖像顯示，來自這些類星體圖像的光由于巨大前景星系的引力而扭曲并放大，這種效應被稱為引力透鏡。天文學家利用這種透鏡效應來探測小的暗物質團塊。這些團塊位于望遠鏡觀測到類星體的視線范圍內，以及前景透鏡星系的內部和周圍。

每一張哈勃太空望遠鏡的快照都顯示了四張背景類星體及其宿主星系的扭曲圖像，它們圍繞著一個前景大質量星系的中央核心。巨大的前景星系的引力就像一個放大鏡，通過一種被稱為引力透鏡的效應來扭曲類星體的光線。類星體是由活躍的黑洞產生的極其遙遠的宇宙路燈。由于前景星系和背景類星體之間需要近乎精確的對齊，這樣的類星體圖像非常罕見。天文學家利用引力透鏡效應探測到迄今為止發現的最小的暗物質團塊。這些團塊位于望遠鏡觀測到類星體的視線范圍內，以及前景透鏡星系的內部和周圍。暗物質團塊的存在改變了每個扭曲的類星體圖像的表觀亮度和位置。天文學家將這些測量結果與類星體圖像在沒有暗物質團塊影響的情況下的樣子進行了比較。研究人員利用這些測量數據來計算微小暗物質濃度的質量。哈勃3號廣角相機捕獲了每個類星體的近紅外光，并將其分散成不同的顏色，以供光譜學研究。這些照片拍攝于2015年至2018年。圖片來源： NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) and T. Treu (UCLA)

天文學家們利用NASA的哈勃太空望遠鏡和一種新的觀測技術，發現暗物質形成的團塊比以前所知的要小得多。這一結果證實了被廣泛接受的“冷暗物質”理論的基本預測之一。

根據這一理論，所有星系都形成并嵌入暗物質云中。暗物質本身由緩慢移動或“冷”的粒子組成，這些粒子聚在一起形成結構，從質量是銀河系幾十萬倍的，到質量不超過商用飛機重量的團塊。(在這種情況下，“冷”是指粒子的速度。)

哈勃望遠鏡的觀測結果對暗物質的性質及其行為產生了新的見解。 “我們對冷暗物質模型進行了非常有說服力的觀測測試，非常成功。”觀測小組成員加州大學洛杉磯分校(UCLA)的Tommaso Treu說。

暗物質是一種看不見的物質形式，它構成了宇宙質量的大部分，并為星系的形成提供了基礎。盡管天文學家看不到暗物質，但他們可以通過測量其引力如何影響恒星和星系來間接探測其存在。通過尋找嵌入的恒星來探測最小的暗物質結構可能是困難的或者是不可能的，因為它們包含的恒星很少。

盡管在大中型星系周圍都檢測到了暗物質團塊，但到目前為止，還沒有發現小得多的暗物質團塊。在缺乏觀測證據的情況下，一些研究人員提出了替代理論，包括“暖暗物質”。這個想法表明，暗物質粒子正在快速移動，過快地壓縮而無法合并形成較小的團塊。新的觀察結果不支持這種情況，發現暗物質比“暖暗物質”替代理論所認為的“更冷”。

“在較小尺度上，暗物質比我們所知道的要冷的多。”哈勃太空望遠鏡的負責人，加利福尼亞州帕薩迪納市的NASA噴氣推進實驗室的安娜·尼倫伯格說，“天文學家以前曾對暗物質理論進行過其他觀測試驗，但是我們的證據提供了迄今為止尚有最強的證據，表明存在著一小團冷暗物質。通過結合最新的理論預測，統計工具和新的哈勃觀測，我們現在得到了比以前更可靠的結果。”

尋找缺乏恒星的暗物質是一項艱巨的任務。然而，哈勃研究小組使用了一種技術，他們不需要尋找恒星來追蹤暗物質的引力影響。該小組的目標是八顆強大而遙遠的宇宙“路燈”，稱為類星體(活躍的黑洞周圍的區域，它們發出大量的光)。天文學家測量了環繞著類星體黑洞的氧氣和氖氣發出的光是如何被巨大的前景星系的引力扭曲的，這個星系就像一個放大鏡。

利用這種方法，研究小組發現了暗物質沿著望遠鏡的視線聚集到類星體，以及在中間的透鏡星系內部和周圍。哈勃探測到的暗物質團塊是銀河系暗物質暈質量的1/0,000至1/100,000倍。許多這些微小的星系群很可能甚至不包含小星系，因此用傳統的尋找嵌入恒星的方法是不可能探測到它們的。

八個類星體和星系是如此精確地對齊，以至于扭曲效應(稱為引力透鏡)產生了每個類星體的四張扭曲圖像。效果就像照哈哈鏡。由于前景星系和背景類星體之間幾乎需要精確對準，因此這類類星體的四張圖像很少見。但是，研究人員需要多個圖像來進行更詳細的分析。

暗物質團塊的存在會改變每張類星體扭曲圖像的表觀亮度和位置。天文學家將這些測量結果與預測的類星體圖像在沒有暗物質影響的情況下進行了比較。研究人員使用這些測量值來計算微小暗物質團塊的質量。為了分析數據，研究人員還開發了精心設計的計算程序和精密重建技術。

加州大學洛杉磯分校的成員丹尼爾·吉爾曼解釋說：“想象一下，這八個星系中的每個都是一個巨大的放大鏡。” “小的暗物質團塊就像放大鏡上的小裂縫，改變了四個類星體圖像的亮度和位置，而不是你所希望看到的是像玻璃一樣光滑。”

研究人員使用哈勃的廣角3號相機捕捉到來自每個類星體的近紅外光，并將其分散成其組成顏色，以便進行光譜研究。背景類星體獨特的發射物在紅外線下最容易被看到。 “哈勃的太空觀測使我們能夠在星系系統中進行這些測量，而這些測量是用較低分辨率的地面望遠鏡無法實現的，而地球的大氣層對于我們需要觀測的紅外光是不透明的。” 加州大學洛杉磯分校研究小組的成員西蒙·比雷爾(Simon Birrer)解釋說。

Treu補充說：“令人難以置信的是，經過近30年的運行，哈勃能夠為基礎物理學和宇宙的本質提供最前沿的見解，這是我們在發射哈勃望遠鏡時做夢也沒想到的。”

引力透鏡是通過對地面調查(例如斯隆數字天空調查和暗能量調查)進行篩選而發現的，這些調查提供了有史以來最詳盡的宇宙三維地圖。類星體距離地球大約100億光年;前景星系大約20億光年。

研究中檢測到的小團隊數目為暗物質的性質提供了更多線索。尼倫伯格解釋說：“暗物質的粒子性質影響形成多少團塊。” “這意味著你可以通過計算小團塊的數量來了解暗物質的粒子物理學。”

但是，構成暗物質的粒子類型仍然是個謎。比雷爾說：“目前，實驗室沒有直接證據表明存在暗物質顆粒。” “根據宇宙物理學家對暗物質的觀察，如果宇宙學家不說暗物質存在，粒子物理學家甚至不會談論暗物質。當我們的宇宙學家談論暗物質時，我們在問，'暗物質如何影響宇宙的外觀，并在多大程度上?”

天文學家將能夠使用未來的NASA太空望遠鏡(如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和廣域紅外勘測望遠鏡(WFIRST))對暗物質進行后續研究，這兩個望遠鏡都是紅外天文臺。WFIRST望遠鏡的清晰度和大視場將有助于天文學家對整個空間區域進行觀測，這些區域受到大質量星系和星系團的巨大引力場的影響。這將有助于研究人員發現更多這樣的稀有系統。

該小組將在夏威夷檀香山舉行的美國天文學會第235次會議上公布其研究成果。

原文出處：https://phys.org/news/2020-01-hubble-smallest-dark-clumps.html