暗物质真的只是猜测吗？几条重要的证据揭开“暗物质”的面纱

首先我们来说说什么是暗物质？以及暗物质的由来。

在大爆炸之后的第一个1.5亿年前，没有星系，星星或行星。宇宙毫无特色。

随着时间的推移，第一批星星形成了。星星聚集到星系中。星系开始聚集在一起。这些星系团由星系和星系之间的所有物质组成。大量的物质相互作用，太阳系中的行星开始在太阳周围形成。

暗物质理论细丝包围的地球

瑞士天文学家Fritz Zwicky在20世纪30年代首次使用“暗物质”这个词。他研究了所谓的弥散星系团，具体来说，它旋转的速度有多快。集群就像旋转木马：它们的速度取决于集群中物体的重量和位置，就像物体的重量和它们在旋转木马上的位置一样。他测量的速度意味着这个星团的质量要比可见光提供的要多得多。

在二十世纪七十年代，美国天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）和她的同事通过研究星系旋转证实了这一结果。他们还发现，单个星系不仅仅是星团，它们的质量比他们观察到的光线暗示的要多。鲁宾和她的团队的工作有助于牢固树立暗物质的概念。

在许多方面，科学家们更多地了解暗物质是什么。

暗物质可能是褐矮星，“失败”的恒星因为缺乏开始燃烧所需的质量而从未被点燃过。暗物质可能是白矮星，恒星死后的核心残余物。或者暗物质可能是中子星或者黑洞，它们是爆炸后的大星星的残余物。

但是，这些建议都存在问题。科学家们有强有力的证据表明，没有足够的棕矮星或白矮星来解释所有的暗物质。黑洞和中子星也很少见。

模拟宇宙中的暗物质

暗物质可能不是我们所熟悉的事物。弥补暗物质的问题可能会有所不同。它可能充满了理论预测的粒子，但科学家还没有观察到。

由于科学家不能直接看到暗物质，他们已经找到了其他的方法来进行调查。我们可以用间接的方式来研究事物，比如看影子，猜测影子是什么。科学家间接研究暗物质的一种方法是使用引力透镜。

通过引力透镜的光线与通过光学透镜的光线类似：弯曲。当远处的恒星发出的光线穿过星系或星系团时，星系或星系团中存在的物质的引力使光线弯曲。因此，灯光看起来像是从其他地方而不是从其实际的起源而来。弯曲的数量有助于科学家了解当前的暗物质。许多NASA科学家使用哈勃太空望远镜观察引力透镜。

除了这些间接的方式之外，NASA的科学家们认为他们有一种使用费米伽马射线空间望远镜检测暗物质的直接方法。这个望远镜看伽马射线，最高的能量形式的光。当两个暗物质颗粒相互碰撞时，它们可能会释放出伽马射线。费米望远镜在理论上可以检测到这些碰撞，这些碰撞将在天空中呈现为一阵伽马射线。由于费米太空时间不长，科学家还没有足够的数据来形成结论。

这就是暗物质令人兴奋的原因：它仍然是科学的巨大奥秘之一。

引力透镜效果下的星系团

我们怎么知道暗物质不仅仅是表现怪异重力的普通物质？远处一大群星系背后的远处引力放大的微弱星系的新观察正在为这个问题揭开新的黑暗。哈勃太空望远镜的图像表明，在CL0024 + 17的中心周围可能存在一个巨大的暗环，没有正常的物质对应物。

上图中可见的是，首先是许多壮观的星系，它们是CL0024 + 17本身的一部分，典型地呈现出棕褐色。接下来，仔细观察聚类中心，会发现几个不寻常的和重复的星系形状，通常是更蓝的。这是几个遥远的星系的多个图像，表明这个星团是一个强烈的引力透镜。然而，图像上许多遥远的幽蓝星系相对较弱的变形表明暗物质环的存在。计算建模的暗物质环横跨大约500万光年，并已被数字叠加到图像的弥漫蓝色。

一个关于巨大暗物质环形成的假说认为，这是一个短暂的特征，当十亿年前，星系团CL0024 + 17与另一个星系团相撞时，形成了一个类似于当一块岩石被扔进一个池塘的环。

通过首次确定附近矮星系中各个恒星的三维运动，天文学家们已经揭示了弥漫在星系中的隐形暗物质的分布。

这项研究将欧空局盖亚任务测量的恒星位置与十二年前拍摄的美国宇航局/欧空局哈勃太空望远镜的观测结合起来。

我们银河系银河系的近邻

我们的银河星系拥有数千亿颗恒星，由十几个较小的卫星星系轨道运行。这个群中最着名的大麦哲伦云和小麦哲伦云从中南纬度的肉眼是可见的，而其他大部分是昏暗的，只能用望远镜观察。

这些卫星星系被归类为矮星，因为它们只包含恒星系统中的一小部分恒星。他们都在与银河系进行引力相互作用，而这些动力过程可能会在其形状上留下痕迹。

几十年来，天文学家一直在研究矮星系的恒星，努力重建它们的起源，揭开我们银河系及其环境的历史。

一项新的研究现在把这些矮人雕塑家之一的星系带入了前所未有的重点。

荷兰格罗宁根Kapteyn天文学院的Davide Massari说，“这是我们第一次能够确定单个恒星是如何通过我们银河系的一颗矮星传播的。”他是今天发表的论文的主要作者在自然天文学。

哈勃太空望远镜12年前同样杰出的观测资料，结合了Gaia首次发布的恒星位置的精确测量结果。

正如预期的那样，在天空平面上观测到的恒星位置的变化 - 称为自然运动 - 甚至在2002年哈勃望远镜的观测和第一套公开发布的盖亚数据之间的长时间基线上也很小，聚集在2014年和2015年之间。

盖亚飞船的艺术家的概念

该研究的合着者Amina Helmi说：“我们迫不及待想看看Gaia观测是否可以用来测量另一个星系中的个体自身运动，所以我们很高兴看到这确实是可能的。在格罗宁根Kapteyn天文学院。

Massari，Helmi和他的同事测量了雕塑家矮星系中大约一百颗恒星的正确运动。对于从最小误差中选出的十颗星的一小部分，天文学家也可以从文献中找出径向速度的估计值，从而量化沿视线的恒星运动。

利用自己的运动和径向速度测量，他们能够重建这些恒星如何在三维空间中移动 - 这是第一次为矮星系完成。

此前和其他矮星系的恒星位置的研究已经使天文学家能够确定这些卫星在银河系周围的整体运动。

Massari解释说：“我们的研究超越了：加入这两个特殊的数据集，我们可以首次提取关于矮星系运动和星系内恒星运动的信息。

恒星运动是特别有用的，因为它们可以使天文学家找到他们看不见的东西：暗物质，一种看不见宇宙中比普通物质更丰富的无形成分。

小麦哲伦星云与其暗物质模型的一半

仍然难以直接探测，暗物质的存在可以通过其对其他物体（如恒星或星系）的运动的重力效应来推断。

Helmi说：“像Sculptor这样矮小的球状星系是我们在宇宙中所知道的最暗物质主宰的物体。“在这些地方，我们真的能够”看到“这个神秘的组成部分。”

新的数据表明，雕塑家矮星系中的恒星优先在细长的径向轨道上移动。这与银河系暗物质的分布是一致的，这意味着它的密度向着中心增加而不是变平。

Helmi补充说：“通过在标准宇宙学场景中对暗物质的大规模分布进行模拟来预测Cuspy剖面，并且我们的新结果与此一致。”

尽管研究结果看起来很有希望，但本研究中使用的数据样本不是很大，需要更多的数据来对这个星系中的暗物质分布施加更强的约束。尽管盖亚已经在雕刻家领域测量了数千颗恒星，但在这项研究中，天文学家只能确定哈勃观察到的那些人的正确运动，哈勃观察到了更广泛的星系场内的两个小斑块。

碰撞星系的暗物质如何相互作用

另一方面，盖亚一直在扫描整个天空。随着其业务的不断推进，天文学家们期待着未来几年将发布的更大，更精确的数据集。

根据2014年至2016年收集的数据，计划于2018年4月发布的第二份数据将不仅包含超过十亿颗恒星的精确位置，而且还包含适当的运动。这个版本不会为像矮人这样的矮星系的恒星提供适当的运动测量，并且能够以足够的精度来研究单个恒星的运动，但是测量精度足以研究星系的整体运动。

荷兰莱顿大学的安东尼·布朗（Anthony Brown）表示：“第二次盖亚数据发布可以用来准确地确定雕刻家在银河系周围的整体运动，并且还可以测量其他矮星系的运动，以达到前所未有的精度。盖亚数据处理与分析协会（DPAC）和该论文的合着者。

“但根据几年的盖亚观测，这是最终的发行版，它将揭示我们银河系卫星上成千上万颗恒星的个别自然运动。”

上周，欧空局批准延长盖亚行动18个月，所以它将继续扫描天空，直到2020年。延伸的关键科学驱动力之一是研究矮星系的恒星运动，其中需要在尽可能长的时间基线上进行观测。

ESA Gaia项目科学家Timo Prusti说：“有了Gaia，我们正在观察我们的银河系及其邻居的行动方式，深入研究恒星的运动，揭开它们的秘密。

巨大的星系团阿贝尔1689的内部区域

暗物质的研究将是21世纪科学家的主要目标，期待更多的发现。