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原作：Brooks Mendenhall

翻譯：鐘藝

校譯：呂梓欣

編排：劉斯媛

后臺(tái)：朱宸宇

https://www.astronomy.com/science/new-dark-matter-map-shows-the-universe-in-detail/

科學(xué)家利用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）制作出了有史以來最大、分辨率最高的暗物質(zhì)地圖，為宇宙的演化提供了新的線索。

一張全新的、利用JWST數(shù)據(jù)制作的的高精度地圖，揭示了宇宙中不可見的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過追蹤引力對(duì)光線的彎曲，研究人員繪制出了暗物質(zhì)所在的位置。等密度線顯示了密度相同的區(qū)域，而藍(lán)色部分標(biāo)記了這片0.54平方度天空區(qū)域中暗物質(zhì)濃度最高的區(qū)域。（圖片來源：Gavin Leroy博士 / COSMOS-Webb合作團(tuán)隊(duì)）

借助這張全新的高精度的暗物質(zhì)地圖，科學(xué)家們對(duì)暗物質(zhì)有了更清晰的認(rèn)知，在這張地圖中，不可見的暗物質(zhì)無所遁形。這張地圖利用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）在COSMOS-Web（宇宙網(wǎng)）巡天項(xiàng)目中獲得的成像數(shù)據(jù)，繪制出了一片無縫覆蓋0.54平方度天空區(qū)域的宇宙暗物質(zhì)高精度分布圖——這是同類地圖中最大的一張。這張地圖通過觀測(cè)這種不可見物質(zhì)對(duì)周圍空間的扭曲繪制而成，其分辨率是之前地圖的兩倍，揭示了星系團(tuán)、暗物質(zhì)的纖維結(jié)構(gòu)，甚至還有此前從未被發(fā)現(xiàn)的微弱星系群。該研究團(tuán)隊(duì)的成果已于1月26日發(fā)表在《自然·天文學(xué)》（Nature Astronomy）雜志上。

“這張出自COSMOS-Web項(xiàng)目的地圖以前所未有的精度，展現(xiàn)了宇宙中暗物質(zhì)的主體結(jié)構(gòu)?！泵绹教炀謬姎馔七M(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的宇宙學(xué)家、該研究共同第一作者Diana Scognamiglio告訴《天文學(xué)》（Astronomy）雜志，“它揭示了暗物質(zhì)在星系團(tuán)中聚集的位置、這些星系團(tuán)之間的連接方式，以及大片空洞區(qū)域的分布情況。這是第一次在大面積范圍內(nèi)觀測(cè)到宇宙網(wǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，甚至還能探測(cè)到以往地圖中未被發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)聚集區(qū)域。”

01

如何在黑暗中“看”見

根據(jù)目前被稱為Lambda-CDM或ΛCDM模型的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，暗物質(zhì)約占宇宙總物質(zhì)的85%，是宇宙結(jié)構(gòu)的支架。它的引力作用決定了普通物質(zhì)的聚集位置，甚至能夠維系其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。正如杜倫大學(xué)宇宙學(xué)家、共同作者Richard Massey在一篇新聞稿中提到：“環(huán)繞銀河系的暗物質(zhì)旋渦云擁有足夠的引力，借助它，我們的星系才得以凝聚在一起。如果沒有暗物質(zhì)，銀河系將會(huì)自行解體?！?/p>

但暗物質(zhì)既不發(fā)光也不吸收光線，因此無法用常規(guī)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)。為了定位暗物質(zhì)，科學(xué)家使用了弱引力透鏡（weak gravitational lensing）技術(shù)。當(dāng)來自遙遠(yuǎn)天體的光線傳播至地球途中經(jīng)過質(zhì)量源時(shí)，中間質(zhì)量體的引力會(huì)使背景光發(fā)生偏折和放大，導(dǎo)致觀測(cè)到的圖像產(chǎn)生扭曲。這一現(xiàn)象就被稱為弱引力透鏡效應(yīng)，其扭曲程度取決于中間質(zhì)量的大小。

在強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)中，光線會(huì)被顯著彎曲，從而產(chǎn)生諸如弧形和環(huán)形等獨(dú)特的現(xiàn)象。而在弱引力透鏡效應(yīng)中，扭曲的程度要小得多，僅造成圖像的輕微形變。通過精確測(cè)量這種微小形變，科學(xué)家們即便完全看不見，也能推算出中間的物質(zhì)。如果對(duì)整片天空各處天體的扭曲效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，比如背景星系的形狀，就能繪制出不可見物質(zhì)（即暗物質(zhì)）的分布圖。

一言以蔽之，測(cè)量出的背景星系越多，暗物質(zhì)的分布圖就越詳細(xì)。

之前的暗物質(zhì)地圖主要依賴地面望遠(yuǎn)鏡或哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)。受地球大氣模糊效應(yīng)的影響，地面望遠(yuǎn)鏡所能觀測(cè)到的天空分辨率有限，每平方角分（1平方度 = 3600平方角分）通常只能分辨出不到20個(gè)星系的形狀。而如果從大氣層上方借助哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，每平方角分能分辨出約71個(gè)星系。但這兩種觀測(cè)方法都遠(yuǎn)遜于JWST，JWST每平方角分能分辨約129個(gè)星系。

這組并排對(duì)比圖展示了用哈勃望遠(yuǎn)鏡（左）和JWST（右）繪制的暗物質(zhì)分布情況。白色輪廓線表示暗物質(zhì)的等密度區(qū)域，藍(lán)色區(qū)域?yàn)榘滴镔|(zhì)濃度最高處。這兩張圖清楚地展示了JWST遠(yuǎn)超哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率和精確度。（圖片來源：Gavin Leroy博士 / Richard Massey教授 / COSMOS-Webb合作團(tuán)隊(duì)）

02

橋梁與節(jié)點(diǎn)

這張新的JWST暗物質(zhì)地圖測(cè)量了約25萬個(gè)星系，覆蓋了0.54平方度天空區(qū)域。它展現(xiàn)了一個(gè)復(fù)雜的圖像，其中包括星系團(tuán)之間延伸的纖維狀的“橋狀”結(jié)構(gòu)。這些暗物質(zhì)纖維就像宇宙的骨骼，氣體和星系沿著它們分布。該地圖還發(fā)現(xiàn)了此前因距離太遠(yuǎn)或亮度太低而無法被其他望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的低質(zhì)量星系群。

暗物質(zhì)形成了宇宙的隱形框架，構(gòu)成了龐大的宇宙網(wǎng)。在這張數(shù)字模擬圖中，發(fā)亮的黃色區(qū)域是暗物質(zhì)最密集的團(tuán)塊，星系和星系團(tuán)就在其中形成。（圖片來源：Ralf Kaehler / SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室 / 美國自然歷史博物館）

“這些纖維就像一張巨型宇宙蜘蛛網(wǎng)上的蛛絲。網(wǎng)中的粗結(jié)是星系團(tuán)，連接它們的絲線就是纖維。在ΛCDM模型中，暗物質(zhì)在引力作用下坍縮形成這張網(wǎng)，而普通物質(zhì)，如氣體和星系，則沿著這些纖維分布?！盨cognamiglio說道。

“這張地圖是基于背景星系所推算出的天空中總質(zhì)量分布的二維圖像。它向我們展示了暗物質(zhì)在空間中的分布情況?！盨cognamiglio說道。根據(jù)ΛCDM模型，星系會(huì)在暗物質(zhì)纖維上的“粗結(jié)”或節(jié)點(diǎn)處形成，而這張新地圖似乎也證實(shí)了該模型對(duì)暗物質(zhì)本質(zhì)的其中一種關(guān)鍵預(yù)測(cè)。

03

建立新標(biāo)準(zhǔn)

這張地圖前所未有的細(xì)節(jié)和分辨率，讓我們得以一窺80–110億年前，一個(gè)比之前所有的觀測(cè)結(jié)果都要久遠(yuǎn)的時(shí)間，星系與暗物質(zhì)纖維的演化過程。這有助于我們了解這些結(jié)構(gòu)在宇宙恒星形成的高峰期的相互影響。

憑借如此清晰的觀測(cè)結(jié)果，這張地圖為未來所有理論和模擬設(shè)定了一個(gè)新的基準(zhǔn)。“它讓理論學(xué)家和觀測(cè)者能夠直接將宇宙學(xué)模擬的詳細(xì)預(yù)測(cè)與真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，有助于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)結(jié)構(gòu)增長描述的準(zhǔn)確度，并尋找可能暗示新物理現(xiàn)象的細(xì)微偏差?！盨cognamiglio說道。

雖然這張新地圖提供了前所未有的暗物質(zhì)細(xì)節(jié)，但它僅覆蓋了天空的一小部分。不過，正如Scognamiglio所說，這只是開始。

“雖然JWST只在相對(duì)較小的區(qū)域提供了超高分辨率的觀測(cè)，但未來歐空局的歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡和美國航天局的南?！じ窭捉z·羅曼空間望遠(yuǎn)鏡將會(huì)在更廣闊的天空區(qū)域應(yīng)用類似的弱引力透鏡技術(shù)?！盨cognamiglio指出，“這些項(xiàng)目的觀測(cè)結(jié)果結(jié)合在一起將會(huì)組成一張覆蓋宇宙廣闊區(qū)域的暗物質(zhì)分布圖，屆時(shí)我們將從詳細(xì)的個(gè)案研究進(jìn)入到對(duì)宇宙網(wǎng)真正的整體觀測(cè)?！?/p>

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圖片來源：NASA

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