利用美國航空航天局（NASA）的哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope）和一種新的觀測技術，天文學家發現暗物質能夠形成比此前已知要小得多的的團塊。這一新的結果證實了受到廣泛認可的「冷暗物質」（Cold Dark Matter，CDM）理論的基本預測之一。
依據冷暗物質理論，所有星系都誕生於暗物質雲中，並分散嵌於暗物質雲裡。暗物質（dark matter）本身由緩慢移動的，或者說「冷」的粒子組成，這些粒子聚在一起形成各式各樣的團聚結構，範圍從質量不超過商用飛機的小型團塊，到質量數十萬倍於銀河系的巨型結構。（在這篇文章中，「冷」指的是粒子的速度緩慢。）
哈勃望遠鏡的觀測結果為暗物質的性質和行為提供了新的見解，觀測團隊的成員託馬索•特魯（Tommaso Treu）表示：「我們對冷暗物質模型進行了非常有說服力的觀測試驗，結果顯示模型非常成功。」特魯來自加州大學洛杉磯分校（University of California, Los Angeles，UCLA）。
暗物質是一種不可見的物質形式，它可能是宇宙物質的主要組成部分，佔全部物質總質量的絕大部分，同時構建出了宇宙星系所依賴建立的支架。儘管天文學家無法看到暗物質，但通過測量其重力對恆星和星系的影響方式，他們可以間接檢測暗物質的存在。想要找到嵌在暗物質中的恆星來探測最小的暗物質結構，實際上非常困難甚至略顯荒誕，因為最小的暗物質結構所包含的恆星實在太少了。
儘管在大型和中等大小的星系周圍都檢測到過暗物質結構，但是到目前為止，還沒有發現體型更小的暗物質團塊。正是由於對小型暗物質團塊的觀測證據仍一片空白，一部分研究人員已經提出了其他的暗物質理論，包括「溫暗物質」（Warm Dark Matter，WDM）理論，這個假設則表明，暗物質粒子正在以較快的速度移動，過快的移動速度讓暗物質粒子無法合併形成較小的濃度結構。然而，哈勃最新的觀測結果讓這種設想不攻自破：暗物質實際上比作為備選的溫暗物質理論所描述的要「冷」。
「在尺寸較小的情況下，暗物質比我們所了解的要冷得多。」哈勃空間望遠鏡的負責人安娜•尼倫伯格（Anna Nierenberg）說道，「此前，天文學家曾對各種暗物質理論進行過其他的觀測試驗，但這一次我們的觀測提供了迄今為止最強有力的證據，證明了一小團冷暗物質的存在。結合最新的理論預測、統計工具和哈勃最新的觀測，我們現在得到的結果比以往更為可靠。」尼倫伯格來自位於加利福尼亞州帕薩迪納市的NASA噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）。
事實證明，如果缺乏嵌在其中的恆星，尋找相關的暗物質結構將非常棘手。但是，哈勃研究團隊使用了一種特殊的技術，讓他們不再需要尋找作為暗物質示蹤劑的恆星引力影響。研究團隊藉助了能量巨大而距離遙遠的8盞宇宙「路燈」的指引，也就是被稱為類星體（quasar）的一種天體。類星體即類似恆星的天體，位於活躍黑洞的周圍區域，是一種在極其遙遠距離外的高光度天體，擁有的超常亮度使其在100億光年以外的距離處也能被觀測到。環繞著類星體黑洞的氧氣和氖氣所發出的光，受巨大前景星系（foreground galaxy）的引力影響而扭曲變形，產生了引力透鏡效應（gravitational lens effect），其中前景星系起到了放大鏡的作用，天文學家正是利用引力透鏡效應分析出的暗物質空間分布。
哈勃空間望遠鏡的每張快照，都揭示了一個背景類星體及其主星系圍繞前景大星系核心的四重變形圖像。巨大前景星系的引力讓類星體發出的光發生了扭曲變形，發揮了放大鏡般的作用，這種現象被稱為引力透鏡效應。類星體是由活躍的黑洞產生的極為遙遠的「宇宙路燈」，由於前景星系和背景類星體之間需要近乎精確的對準，因此這類類星體的四重影響非常少見。正是利用了引力透鏡效應，天文學家發現了有史以來最小的暗物質團塊。這一暗物質團塊正巧位於望遠鏡到類星體的視線之上，同時也位於前景星系的範圍之中以及周圍。暗物質結構的存在會改變每個扭曲過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不存在暗物質團塊影響情況下的預測類星體圖像進行了比較，利用對比所得的結果，就能計算微小暗物質結構的質量。哈勃望遠鏡的第三代廣角相機捕獲了來自每個類星體的近紅外光，並進一步分散成其組成顏色，以便進行光譜研究。以上的圖像拍攝於2015年至2018年之間。
圖片來源：NASA，ESA，安娜•尼倫伯格（JPL）以及託馬索•特魯（UCLA）
利用這種方法，研究團隊發現了諸多暗物質團塊，它們的位置沿著望遠鏡視線一直到類星體，還包括作為中間透鏡的前景星系之內和周圍的區域。哈勃探測到的暗物質結構是銀河系暗物質暈（dark matter halo）質量的萬分之一至十萬分之一，在很多這些微小的暗物質團中，極有可能不包含哪怕是很小的星系，因此，傳統的尋找嵌入恆星的方法是無法檢測到它們的。
這8個類星體和前景星系的位置對齊得非常精確，在引力透鏡效應的作用下每個類星體都產生了4個不同的扭曲圖像，最終呈現的效果就像是遊樂園裡的鏡子屋，神奇而美麗。正是由於前景星系和背景類星體位置間的精確對準非常難得，這種類星體的四重扭曲圖像也十分罕見，利用多重圖像的數據，研究人員能夠對暗物質進行更詳細的分析。
暗物質團塊的存在會改變類星體每個扭曲圖像的表觀亮度和位置。天文學家將這些測量結果與不存在暗物質團塊影響情況下的預測類星體圖像進行了比較，利用對比所得的結果，就能計算微小暗物質結構的質量。為了更好地對數據進行分析，研究人員還開發了複雜精細的計算程序和針對性較強的重建技術。
這張示意圖說明了數百億光年外類星體發出的光，是如何被巨大的前景星系和位於光路上的微小暗物質團塊所改變的。前景星系巨大的引力扭曲並放大了類星體的光，產生了4張不同的類星體扭曲圖像；暗物質團塊位於哈勃空間望遠鏡指向類星體的視線之上，瀰漫在前景星系的內部和周圍，這些不可見的物質存在使得從遙遠的類星體傳播到地球的光線在途中發生了輕微的變形和扭曲，改變了類星體每個扭曲圖像的表觀亮度和位置，如圖中的扭曲波動光線所示。天文學家將這些測量結果與不存在暗物質團塊影響情況下的預測類星體圖像進行了比較，利用對比所得的結果，就能計算微小暗物質結構的質量。由於前景星系和背景類星體之間需要近乎精確的對準，因此這類類星體的四重影響非常少見。
圖片來源：NASA，ESA以及D•普萊耶（D. Player，來自STScI）
漢化：哇喳@NASA愛好者
「想像一下，這8個星系中的每一個都相當於一個巨大的放大鏡，」UCLA的團隊成員丹尼爾•吉爾曼（Daniel Gilman）解釋道，「微小的暗物質團塊就像放大鏡上的小裂縫，與沒有裂縫的平整放大鏡得到的結果相比，它們的存在改變了四個類星體圖像的亮度和位置。」
研究人員使用哈勃的第三代廣角相機（Wide Field Camera 3，WFC 3）捕獲了每個類星體發出的近紅外光，並進一步分散成其組成顏色，以便進行光譜學研究。（背景類星體獨特發射光的最佳觀測條件，就是紅外光。）「憑藉較低解析度的地面望遠鏡，我們無法觀測到許多遙遠的星系，哈勃在太空的觀測則讓我們有條件進行這些測量。此外，我們需要觀測的紅外光也無法透過地球大氣。」UCLA的團隊成員西蒙•比勒（Simon Birrer）說道。
特魯補充說：「令人難以置信的是，經過了近30年的運行後，哈勃讓我們實現了對基本物理學和宇宙本質的前沿見解，而在發射望遠鏡之初，這是我們做夢都沒有想到過的。」
藉助例如斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey）和暗能量巡天（Dark Energy Survey）這樣基於地面的巡天項目，研究人員一步步篩選發現了這些引力透鏡，而這些巡天項目為我們提供了有史以來最為詳盡的宇宙三維地圖。類星體距離地球大約100億光年；前景星系則距離我們大約20億光年。
研究中檢測到的較小暗物質結構的數量，為暗物質的性質探究提供了更多線索。「暗物質的粒子性質會影響團塊的形成數量，」尼倫伯格解釋說，「這意味著我們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無解之謎。「目前，沒有任何直接的實驗證據表明暗物質粒子真實存在，」比勒說，「粒子物理學家甚至根本不覺得有什麼暗物質，如果不是宇宙學家認為暗物質是存在的，而他們依據的則是對宇宙暗物質的觀察。當我們這些宇宙學家談論暗物質時，我們也在疑惑：'它究竟如何掌控著宇宙的整體表觀，又是以什麼樣的尺度在掌控的呢？」
利用NASA未來的空間望遠鏡，例如詹姆斯•韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）和廣角紅外巡天望遠鏡（Wide Field Infrared Survey Telescope，WFIRST）這兩個紅外望遠鏡，天文學家將能夠對暗物質進行進一步的後續研究。對於所有已知的四重透鏡類星體，JWST將能夠有效地獲得相應的測量值；而WFIRST的高清晰度和廣角視野，則會讓天文學家更好地觀察大型星系和星系團巨大引力場影響下的整個空間區域。這兩架望遠鏡都將有助於研究人員發現更多這樣的稀有天體系統。
1月8日周三，在夏威夷火奴魯魯舉行的美國天文學會（American Astronomical Society，AAS）第235次會議上，研究團隊介紹了這一最新成果。
哈勃空間望遠鏡是NASA和歐洲空間局（European Space Agency，ESA）的一項國際合作項目。哈勃項目由位於馬裡蘭州格林貝爾特的NASA戈達德航天飛行中心（Goddard Space Flight Center）負責管理，相關的科學實驗由位於馬裡蘭州巴爾的摩的空間望遠鏡科學研究所（Space Telescope Science Institute，STScI）負責執行，STScI由位於華盛頓特區的大學天文研究協會（Association of Universities for Research in Astronomy）為NASA運營。
參考來源：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/hubble-detects-smallest-known-dark-matter-clumps