傳說中“子彈星系團(tuán)”的 X 光(粉色)與弱重力透鏡效應(yīng)(藍(lán)色)的合成圖片 來源

暗物質(zhì)無處不在，它現(xiàn)在就在你的房間里。它比全天候的“監(jiān)視”更為稀薄，比空氣更透明，比光更無孔不入。或許我們從來沒意識到過身邊的暗物質(zhì)(unless you are stoned or tripping)，但它就在那里。

雖然暗物質(zhì)不可見，但我們已經(jīng)知道周圍有多少暗物質(zhì)，它們都處在哪里了。宇宙微波背景測量顯示，宇宙質(zhì)量的80%都是由暗物質(zhì)組成的，但這并沒有告訴我們暗物質(zhì)在宇宙中的分布狀況。從理論思考的角度，科學(xué)家猜測宇宙中的一些區(qū)域——例如宇宙巨洞(Cosmic Voids)——可能有很少或者根本沒有暗物質(zhì)，而各星系的中心暗物質(zhì)的密度則更高。不過即便如此，還是難以確定暗物質(zhì)分布的細(xì)節(jié)。

宇宙微波背景圖

不同于普通物質(zhì)，我們不能通過光來看到它，因為暗物質(zhì)本身不反射光也不釋放光。天文學(xué)家只能通過暗物質(zhì)的重力效應(yīng)來繪制它們的分布。這在星系中密度較高的區(qū)域尤為困難，這些區(qū)域充滿了大量氣體，星體和其它物質(zhì)，它們的存在模糊了暗物質(zhì)的分布特征。就算是在銀河系的“郊區(qū)”或星系際空間，暗物質(zhì)對所有形式的光透明的屬性也讓精確定位成了難題。

盡管有大量不利因素，天文學(xué)家們?nèi)匀蝗〉昧诉M(jìn)展。雖然單獨的一個星系或許是混亂無規(guī)律的，但分析大量的星系則能生成出宇宙的“重力地圖”?？茖W(xué)家們同樣希望能克服星系中的混亂狀態(tài)，通過謹(jǐn)慎觀察星體與氣體云的運動而估算出暗物質(zhì)在星系中央的比重。

另外一條誘人的線索是：銀河系中心的暗物質(zhì)在湮滅時會釋放出信號形式的暗物質(zhì)粒子。如果被其它觀察證實，研究者就可以避免麻煩的重力因素而推導(dǎo)出暗物質(zhì)的諸多屬性。

暗物質(zhì)簡史

上世紀(jì)30年代，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基測量了后發(fā)座星系團(tuán)的運動。根據(jù)簡單的引力計算，他發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)的移動軌跡不應(yīng)該是觀測到的那樣——除非星系內(nèi)包含了很多看不見的大質(zhì)量物質(zhì)。實際上，弗里茨·茨威基估算的物質(zhì)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大過了實際情況。不過從整體情況上來看他是正確的：星系團(tuán)中超過80%的質(zhì)量并非原子形式。

在弗里茨的時代，他的研究并未引起學(xué)界的注意，但美國天文學(xué)家薇拉·魯賓之后關(guān)于星系自轉(zhuǎn)速度的研究則不一樣。她發(fā)現(xiàn)就星體本身和星系間氣體的質(zhì)量加起來根本無法解釋她測量到的星系自轉(zhuǎn)速度。在薇拉的研究和隨后的測量之間，天文學(xué)家們建立起一個理論：每一個螺旋星系都被一種環(huán)形光環(huán)狀的物質(zhì)所吞沒——這種物質(zhì)對任何形式的光都是透明的。

子彈狀星系團(tuán)

子彈星系團(tuán)(Bullet Cluster)在天文學(xué)研究中十分重要。它在2006年被首次描述。子彈星系團(tuán)實際上是兩個正在碰撞的星系團(tuán)：研究者們用可見的 X 光將它繪制出之后才發(fā)現(xiàn)該星系團(tuán)實際又一對星系團(tuán)組成，而它是證明暗物質(zhì)存在的最好證據(jù)。

星系團(tuán)是已知宇宙中最大的獨立個體。星系團(tuán)中可包含成千上萬個由彼此引力牽制的星系。然而，比起星系內(nèi)的星體，氣體和星塵，質(zhì)量更大的是星系間一種溫度極高的氣體等離子云，而等離子云在 X 光環(huán)境下會發(fā)出明亮的光。在子彈星系團(tuán)中，兩個星系團(tuán)的碰撞引發(fā)了等離子云沖擊波。

而前文所說到的“弱引力透鏡效應(yīng)”——指從遙遠(yuǎn)背景星系發(fā)出的光被前景星系輕微扭曲之后產(chǎn)生的一種形變效應(yīng)——則被用與繪制子彈星系團(tuán)中質(zhì)量的分布狀況。不同于強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)，弱引力透鏡效應(yīng)不會產(chǎn)生諸如愛因斯坦十字或是弧形扭曲這樣的圖像，它只會輕微扭曲來自背景星系的光。

成像后被發(fā)現(xiàn)的等離子沖擊波代表著子彈星系團(tuán)中質(zhì)量最大的一部分，它與星系相分離，處于兩個星系團(tuán)之間，這讓獨立測量暗物質(zhì)質(zhì)量與分布有了可能。而成像結(jié)果還證實了之前一些關(guān)于暗物質(zhì)行為的假設(shè)。多虧了碰撞產(chǎn)生的波，等離子得以留在兩個星系團(tuán)之間，而暗物質(zhì)這種不會與暗物質(zhì)或任何物質(zhì)相互作用的存在則直接，悄無聲息地融入到了對方星系團(tuán)中。

這是一個現(xiàn)象級的發(fā)現(xiàn)，但被觀測的僅有一個(或兩個)星系團(tuán)?？茖W(xué)是需要大量證據(jù)的，單獨一個案例無法反映出宇宙中無數(shù)的可能性，我們想要知道暗物質(zhì)是否總在星系周圍群聚還是說它們分布的范圍更廣。我們想知道所有的暗物質(zhì)在哪里，不僅是銀河系，不僅是子彈星系團(tuán)，是整個宇宙范圍。

上圖顯示的是一片天空中用等高線表示的弱引力透鏡效應(yīng)，右邊小圖展示的是星體，星系和熱氣體所產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)。 

暗物質(zhì)普查

弱引力透鏡效應(yīng)為在星系團(tuán)(或更大或更小的結(jié)構(gòu))中搜尋暗物質(zhì)提供了一種方法。普林斯頓大學(xué)的天文學(xué)家 Neta Bahcall 和 Andrea Kulier 為132,473個星系群及星系團(tuán)進(jìn)行了一次“弱引力透鏡普查”，被調(diào)查的形體結(jié)構(gòu)都在同一片固定的天空里，但總體范圍達(dá)到了銀河系的規(guī)模(“星系群”是星系的一種集群；比如說，銀河系是在本星系群中是第二大的星系，僅次于仙女座星系)。一個單獨的星系團(tuán)不能提供給我們太多信息，但超過十萬個總是具有一點普遍性了吧！弱引力透鏡在單個星系團(tuán)中表現(xiàn)并不明顯，但在十萬級的數(shù)量上就很明顯了。

比方說，在星系研究中一個重要的參數(shù)是質(zhì)光比(mass-to-light ratio)。為了得到準(zhǔn)確的質(zhì)光比數(shù)據(jù)，Bahcall 和 Kulier 研究了從星系團(tuán)中心向外部擴(kuò)散的光和弱引力透鏡效應(yīng)累計值，發(fā)現(xiàn)一件有趣的事：質(zhì)量與光一前一后地相互升高，最后共同趨向平穩(wěn)。這意味著光與暗物質(zhì)之間，誰也不必誰延伸得遠(yuǎn)，它們是大致并行的：這些星系群和星系團(tuán)內(nèi)的星體是極好的暗物質(zhì)追蹤者，但奇怪的是，星體占整個星系團(tuán)的質(zhì)量比重還不足2%。

Kulier 表示，“一個星系群或星系團(tuán)內(nèi)暗物質(zhì)的總量可能全都在組成它們的星系的光暈(星系暈)中”。雖然細(xì)節(jié)上可能有所差別，但這是一個比較平均的結(jié)果。當(dāng)星系聚集起來組成一個星系團(tuán)時，作用在星系與星系內(nèi)的星體上的強(qiáng)大力量在理論上可以將星系與內(nèi)部的暗物質(zhì)分離開，但由于相互之間的引力牽制，它們?nèi)匀还泊嬖谝粋€星系團(tuán)內(nèi)。

Kulier 指出，普查的結(jié)果為星系團(tuán)內(nèi)暗物質(zhì)的等級模型結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)：“較小的星系集群比大的坍縮得更早，所以像星系這樣的集群先形成，再并入為大的星系集群如星系團(tuán)中”。子彈星系團(tuán)就是一個典型的例子，但暗物質(zhì)可能在星系合并后停留在星系團(tuán)中央，脫離它原來的星系和光暈。

星系暈與暗物質(zhì)

上圖為計算機(jī)重現(xiàn)的弱引力透鏡如何影響背景星系成像的效果圖 

歷史上來講，暗物質(zhì)的推測和概念是來自對螺旋星系的研究的。但是，指出其存在是一回事，繪制出它的具體分布又是另一回事了——尤其是在致密的星系內(nèi)部。

螺旋星系有三個基本組成部分：星系盤(disk)，核球(bulge)，星系暈。星系盤厚度較薄，包含有旋臂以及一些年輕而明亮的恒星。核球處在螺旋星系中心，密度大，星系內(nèi)的老年恒心通常在核球區(qū)域，而在核球最中心點有一個特大質(zhì)量黑洞(supermassive black hole)。星系暈處在星系周圍，結(jié)構(gòu)稀疏，零星散布著少量恒星。星系暈的半徑很大，暈可以延伸到星系盤之外很遠(yuǎn)的地方。舉個例子，銀河系的星系盤直徑大約為100,000光年，而星系暈的直徑則在300,000-1,000,000光年之間。

根據(jù)星系暈的夸張直徑來看，星系內(nèi)大部分暗物質(zhì)都分布在星系暈上，很少一部分在星系盤上。來自哈佛大學(xué)的 Jo Bovy 與 Scott Tremaine 發(fā)現(xiàn)(銀河系)星系盤與星系暈區(qū)域，一立方光年里所包含的質(zhì)量還不到100個地球重——雖然100個地球聽起來可不是什么輕量級，不過在星系級別上的比較，地球一點也不重，并且一立方光年可是個跨度很大的區(qū)域。這個質(zhì)量不足以強(qiáng)烈影響星系中央太陽的軌道。

相比之下，越往星系內(nèi)部走，暗物質(zhì)含量越高，所以在核球里密度應(yīng)該是最大的。因為這個原因，一些天文學(xué)家希望找出在銀河系中心暗物質(zhì)湮滅的跡象，因為根據(jù)一些模型，暗物質(zhì)湮滅時會釋放出伽瑪射線。今年冬天(年初)，費米實驗室研究者稱可能觀測到來自銀河系中心有過量的伽瑪射線。但核球附近恒星的密度也相當(dāng)大，所以不能確定探測到的射線來自湮滅的暗物質(zhì)。

一個樂觀的結(jié)論

那么暗物質(zhì)到底在哪里呢？根據(jù)前文所提到的兩種理論與觀察，最有可能性的還是在星系暈上。越來越多的弱引力透鏡效應(yīng)研究即將被開展，這些研究將為暗物質(zhì)的分布細(xì)節(jié)揭開神秘面紗?！吧w亞計劃”目前正在繪制百億顆恒星及其運動軌跡的三維地圖，這個項目將能提供銀河系和環(huán)繞周圍的衛(wèi)星的信息。屆時，與弱引力透鏡效應(yīng)相結(jié)合，科學(xué)家們將能在之前難以觀測的區(qū)域研究暗物質(zhì)分布。