首次探测到了来自120亿年前的暗物质

By Robert Lea 

2022/8/2

Science & Astronomy

科学家们用了来自大爆炸遗留下来的化石遗迹来进行从来最早的暗物质的探测。

 艺术家的一个星系的描画。Image credit: iStock/Getty Images Plus)

科学家们已经在大约120亿年前存在的星系周围发现了暗物质，迄今为止这种主宰宇宙的神秘物质的最早发现。

由日本名古屋大学研究人员领导的一个合作取得的发现提出早期宇宙中的暗物质比被许多当前宇宙学模型预测的更少“团块的”。如果进一步的工作证实这一理论，它可能改变科学家的星系怎样演化的理解，并提出当这个137亿岁老的宇宙只有17亿岁老时规制宇宙的基本规则可能已经是不一样的。

来映射早期宇宙中暗物质的关键是宇宙微波背景（CMB），一种来自大爆炸遗留下来的被分布在整个宇宙中的化石辐射。

东京大学教授雅美小内在一份声明中说，“观察围绕遥远星系的暗物质？这是一个疯狂的想法。没有人意识到了我们可以做到这一点，但在我给出了一个关于一个大型遥远星系样本的演讲之后，广直来找我并说用宇宙微波背景观察这些星系周围的暗物质是有可能的”。

由于光从遥远的天体传播到地球要用一个有限的时间，天文学家看其它星系就像当观测到了的这个光离开它们时它们存在了一样。一个星系越远，光向我们一直传播的时间就越长，因此我们看到它们进一步回到时间中，因此我们视最遥远的星系就像它们是数十亿年前一样，在这个婴儿宇宙中。

观察暗物质甚至更棘手。暗物质是构成约占宇宙总质量的85%的一种神秘的物质，它不与像充满恒星、行星和我们的质子和中子组成的日常物质和光相互作用。

探测“早期”暗物质

毕竟要“看到”暗物质，天文学家必须依靠它与引力的相互作用。

按照爱因斯坦的相对论，质量巨大的天体造成空时的曲率。一个常见的类比是一个保持增加质量的球的延展橡胶板。质量越大，它造成板中更大的“凹痕”。同样，宇宙天体越大，它造成空时的翘曲就越极端。

像星系这样的大质量天体造成空时如此强的弯曲以致来自一个星系后面光源的光被弯曲，就像一个鹅卵石滚动过拉伸的橡胶板的路径会偏差一样。这种效应改变光源在天空中的位置，一种叫引力透镜的现象。

 为了研究暗物质在一个星系中的分布，天文学家能观察来自一个星系后面的光源的光随它通过“透镜星系”怎样变化的。一个透镜星系包含的暗物质越多，通过它的光的畸变就越大。

但这种技术有限制。

因为最早和最遥远的星系是非常微弱的，随着天文学家更深入观察宇宙和进一步回到时间中，透镜效应变得更加微妙和难以看到，科学家需要大量的背景源和许多早期星系来发现被透镜的暗物质。这个问题已经限制了对大约80亿至100亿岁老的星系的暗物质分布映射。

但宇宙微波背景提供一个比任何星系都更古老的光源。宇宙微波背景是当宇宙足以冷却到允许原子来形成时创造的无处不在的辐射，在一个宇宙学家叫“最后散射”的时刻中降低光子散射自由电子的数量。自由电子的减少允许光子来自由的旅行，这意味着宇宙突然的停止了不透明并变得对光透明。

就像来自其他遥远来源的光一样，由于引力透镜宇宙微波背景能被有暗物质的星系扭曲。

东京大学助理教授祐一针金在声明中说，“大多数研究人员使用源星系来测量从现在到80亿年前的暗物质分布，然而，我们可以进一步看回过去中，因为我们使用更遥远的宇宙微波背景来测量暗物质”。

该团队将一个大量古代星系样本的透镜扭曲与那些CMB的相结合来检测可追溯回到当宇宙只有17亿岁老时的暗物质。这个古老的暗物质描绘一幅截然不同的宇宙图片。

针金说，“这是第一次，我们几乎正在从宇宙最早的时刻测量暗物质， 120亿年前东西是非常不同的。你看到比现在更多的星系正在形成的过程中;第一批星系团也开始来形成”。

这些星系团能包含了通过引力绑定到大量暗物质的100到1000个星系之间。

暗物质是团块的吗？ 该团队发现的最重要方面之一是暗物质在早期宇宙中更少团块的，而不是许多当前模型提出它应该是的。

例如，被广泛接受的Lambda-CDM模型表明宇宙微波背景中的微小波动应该已经造成了引力创造密集包的物质口袋。这些波动最终导致物质来坍塌形成星系、恒星和行星，并且还应该导致密集的暗物质口袋。

针金说，“我们的发现仍然不确定，但如果这是真的，它会提出随你进一步回到时间中整个模型是有缺陷的。这是令人兴奋的，因为如果在不确定性减少后结果成立，它可能提出一个模型的改进，这可能为暗物质本身的本质提供洞察力”。

该团队将继续收集数据来评估Lambda-CDM模型是否符合早期宇宙中暗物质的观测，或者是否模型背后的假设需要被修改。

该团队用于取得他们发现的数据来自斯巴鲁超优相机（Hyper Suprime-Cam）勘察，该勘察分析来自夏威夷望远镜的数据。但到目前为止，研究人员只使用了这些数据的三分之一，这意味着随着其余观测结果被结合，可以提供一个更好的暗物质分布映射。

该团队还期待来自维拉鲁宾（Vera C. Rubin）天文台的空间和时间遗产勘察（LSST）的数据，这些数据可以允许研究人员甚至进一步看回时间中观察暗物质。

针金说，“空间和时间遗产勘察将允许我们来观察半个天空，我看不出有任何理由下一步我们看不到130亿年前的暗物质分布”。

该团队的研究于8月1日发表在 Physical Review Letters杂志上。.