天文学家在100亿光年外探测到一个“幽灵星系”，这可能是暗物质的证据吗？

红外发射（黑白）与无线电发射（彩色）的叠加。图片来源：Keck/EVN/GBT/VLBA

（蜘蛛网eeook.com）据今日科学新闻：夜空闪耀着数十亿颗恒星、星系和星云的光芒，但我们能看到的只是真实存在的一小部分。在那张光芒四射的画布后面是一个看不见的脚手架——一个巨大的、看不见的结构，被称为暗物质。尽管暗物质不发出光、不热、不检测到信号，但它与引力本身一样深刻地塑造了宇宙。它是沉默的建筑师，自古以来就负责将星系维系在一起并指导它们的演化。

几十年来，天文学家们一直知道，一定有看不见的东西正在影响宇宙。可见物质——恒星、行星和气体——根本没有足够的质量来解释星系的自转和聚集方式。一定有别的东西在那里，发挥着它无形的吸引力。那东西是暗物质，一种神秘物质，约占宇宙的 27%，而普通物质的这一比例不到 5%。剩下的就是暗能量——另一个宇宙奥秘。

然而，尽管暗物质具有巨大的影响力，但它从未被直接观测到过。它既不发光也不反射。它穿过我们，穿过地球，穿过整个星系，就好像它们是由烟雾组成的一样。天文学家面临的挑战一直是如何研究拒绝被看到的东西。

如果暗物质不发光，那么我们如何检测它呢？答案在于时空的结构本身。根据爱因斯坦的广义相对论，大质量物体弯曲其周围的空间，导致光在经过时弯曲——这种现象称为引力透镜效应。

想象一下，透过一块扭曲的玻璃看：遥远星系的光线弯曲和伸展，在位于其间的巨大物体周围形成弧线和环。该物体可能是一个星系、一个黑洞——或者，正如最近的研究表明的那样，暗物质本身是一团。

天文学家将这种宇宙扭曲用作一种天然望远镜。通过仔细分析来自遥远星系的光是如何弯曲的，他们可以绘制导致畸变的不可见质量。从本质上讲，他们不是通过暗物质的光，而是通过它的阴影——它在太空本身上的引力印记——“看到”暗物质。

这种技术被称为引力成像，为看不见的宇宙打开了一扇新的窗户。

“寻找似乎不发光的暗天体显然具有挑战性，”马克斯·普朗克天体物理研究所的天体物理学家、发表在《自然天文学》上的一项开创性新研究的主要作者德文·鲍威尔说。“由于我们无法直接看到它们，因此我们使用非常遥远的星系作为背光来寻找它们的引力印记。”

这项研究是有史以来对暗物质最精确的寻找之一。鲍威尔的团队使用全球射电望远镜网络——包括绿岸望远镜、甚长基线阵列和欧洲甚长基线干涉网络——来深入宇宙。

通过将这些望远镜连接在一起，科学家们有效地创造了一个地球大小的超级望远镜，能够探测到极其微妙的光线扭曲——这些扭曲可能会揭示数十亿光年外暗物质团块的存在。

在荷兰VLBI ERIC联合研究所，来自世界各地的数据被组合和处理，形成了超高分辨率的天空图像。该团队的发现令人惊讶：一个黑暗物体，质量是太阳的一百万倍，潜伏在距离地球约 100 亿光年的地方——当时宇宙的年龄只有现在的一半。

这一发现的非凡之处不仅在于它的距离，还在于它的规模。检测到的物体是使用这种方法观测到的质量最低的暗物体——比之前任何类似的检测都小一百倍。

“从第一张高分辨率图像开始，我们立即观察到引力弧变窄，这是我们正在发现某事的明显迹象，”领导数据收集的格罗宁根大学和南非射电天文台的约翰·麦基恩说。“只有我们和遥远的射电星系之间的另一小团质量会导致这种情况。”

放大显示了发光射电弧中的夹点，其中来自黑暗物体的额外质量是使用该团队复杂的建模算法进行引力“成像”的。黑暗物体由弧线夹点处的白色斑点指示，但迄今为止尚未检测到光学、红外或无线电波长的光。图片来源：Keck/EVN/GBT/VLBA

那个“小团块”很可能是一个致密的暗物质袋——穿过宇宙的看不见的网的碎片。探测如此小而微弱的引力特征需要非凡的精度和创新。

为了实现这一目标，该团队必须设计能够分析海量数据集的新计算模型。“数据如此庞大和复杂，我们必须开发新的数值方法来对它们进行建模，”马克斯·普朗克研究所的西蒙娜·贝吉蒂解释道。“这并不简单，因为以前从未做过。”

宇宙不是星系的随机散射，而是一个宇宙网——一个主要由暗物质组成的巨大细丝网络。这些细丝构成了星系和星系团的框架，就像沿着蜘蛛网形成的露水一样。

基于冷暗物质理论（最广泛接受的模型）的模拟预测，每个星系，包括我们自己的银河系，都被无数的暗物质团块所包围，有些是巨大的，有些是小的和弥漫的。这些子结构被认为在塑造星系方面发挥了关键作用，影响着恒星的形成方式以及宇宙结构在数十亿年中的演化方式。

发现并确认这些小暗物质团块的存在一直是天文学面临的巨大挑战之一。“我们预计每个星系，包括我们自己的银河系，都充满暗物质团块，”贝吉蒂说。“但找到它们并让社区相信它们的存在需要大量的数字运算。”

通过将引力成像应用于射电发光弧（来自背景星系的扭曲光），该团队取得了非凡的成就：看到看不见的事物，绘制不可见的地图。

这一发现为支持冷暗物质理论提供了重要证据。“鉴于我们数据的敏感性，我们预计至少会发现一个暗天体，”鲍威尔说。“因此，我们的发现与冷暗物质模型是一致的，我们对星系形成的大部分理解都是基于该模型。”

但其影响远远超出了一次检测。如果未来的观测揭示了更多这些低质量的暗天体——如果它们真的没有恒星——它可能会重塑我们对宇宙的理解。它甚至可能排除相互竞争的暗物质理论，例如“温暖”或“自相互作用”暗物质模型，这些模型预测更少或分布不同的团块。

这不仅仅是一个单一的发现;这是一个方法的证明，表明天文学家现在拥有以前所未有的精度绘制暗物质地图的工具——将曾经的幽灵般的抽象变成可测量的结构。

瞥见看不见的东西不仅需要科学，还需要聪明才智。研究小组使用了最先进的干涉射电天文学技术，结合了来自遍布各大洲的多个望远镜的信号。

通过以亚毫秒级的精度关联这些信号，他们创建了比单台望远镜更清晰的合成图像。这个过程被称为超长基线干涉测量 （VLBI），有效地使研究人员能够观察到由看不见的质量（包括暗物质团块）的引力引起的无线电波的精细失真。

这种数据处理需要巨大的计算能力。马克斯·普朗克研究所和合作伙伴组织的超级计算机的任务是处理 PB 级的原始数据，使用能够区分真实引力透镜与噪声或成像伪影的新算法。

每个细节都必须反复建模、测试和模拟，直到可以自信地确认暗物质的微弱特征。

由于来自透镜星系的光需要 100 亿年才能到达我们手中，因此这一观测结果使科学家能够回顾过去——看看当宇宙年龄不到当前年龄的一半时暗物质的行为。

这种“时间旅行”是天文学最强大的力量之一。通过研究宇宙历史上的暗物质，科学家可以了解星系是如何演化的，物质是如何聚集的，以及宇宙是如何发展成现在的形态的。

这样，暗物质不仅成为一个宇宙之谜，而且成为一个讲故事的人——一个承载着结构、引力和时间历史的谜团。

团队还远未完成。他们现在正在扩大搜索范围，使用相同的技术来探索天空的其他区域。每一次新的探测都可以完善我们的暗物质模型，使我们更接近识别它到底是什么。

它是否像理论家长期以来所建议的那样由弱相互作用的大质量粒子 （WIMP） 组成？或者它可能由轴子、无菌中微子或超出物理学标准模型的更奇怪的东西组成？

为了回答这些问题，天文学家必须继续建造更大、更灵敏的望远镜，并在全球范围内进行合作。平方公里阵列 （SKA） 和詹姆斯·韦伯太空望远镜等项目将提供更高的分辨率和灵敏度，使我们有机会在前所未有的距离上绘制暗物质地图。

如果发现足够多的这些看不见的团块，并且它们都与理论预测一致，我们可能最终会开始了解将宇宙锚定在一起的看不见的物质。

更多信息：D. M. Powell 等人，使用引力成像在宇宙学距离检测到的百万太阳质量物体，自然天文学（2025 年）。DOI：10.1038/s41550-025-02651-2