二十世纪末宇宙学的一项伟大成就是整理出了宇宙的完整清单。我们可以讲述一个符合所有已知数据的故事，其中普通物质（任何实验中检测到的粒子）仅占宇宙能量的约 5%，暗物质占 25%，暗能量占 70%。二十一世纪初宇宙学的挑战将是真正理解这些神秘暗成分的本质。关于星系团 1E 0657-56 的一个美丽的新结果（如果可以这么说的话）照亮了暗物质，是朝着这个方向迈出的重要一步。（这里是新闻稿，以及《钱德拉编年史》中的一篇文章。）理解暗物质领域的前提是确保我们走在正确的道路上。我们能确定我们没有被欺骗而相信暗物质和暗能量吗？毕竟，我们只从检测它们的引力场来推断它们的存在；星系和星系团中比预期更强的引力使我们假设存在暗物质，而宇宙的加速膨胀（以及空间的整体几何形状）使我们假设存在暗能量。会不会是引力在这些现象特有的巨大距离尺度上被修正了呢？爱因斯坦的广义相对论在解释太阳系和双星脉冲星等天体物理系统中的引力行为方面做得很好，但它在更大的距离上可能会失效吗？从普遍原理上来说，广义相对论在非常大的尺度上出现偏差是我们不期望看到的。在我们所知和所爱的绝大多数物理理论中，修正通常出现在小尺度（能量更高）上，而大尺度应该表现正常。但是，我们必须保持开放的心态——原则上，引力绝对有可能被修正，并且值得认真对待。此外，这会非常酷。我个人更倾向于用修正引力来解释宇宙动力学，而不是用暗物质和暗能量，因为这将告诉我们一些关于物理学工作方式的定性不同的东西。（薇拉·鲁宾也这么认为。）我们都希望能超越爱因斯坦，提出一个更好的引力理论。但我们的工作不是表达偏好，而是提出假设然后去检验它们。问题是，如何检验“修正广义相对论”这样模糊的想法？你可以设想检验关于引力如何被修正的具体提议，比如米尔格罗姆的MOND，但在更一般的层面上，我们可能会担心任何观测都可以被某种引力修正来解释。但情况并非如此糟糕——任何受人尊敬的广义相对论修正都应该有一些合理的特征。具体来说，我们预期引力应该指向其源头方向，而不是以某种奇怪的角度偏离。所以，如果我们设想消除暗物质，我们可以有把握地预测引力总是指向普通物质的方向。这很有趣，但并不直接有帮助，因为普通物质和暗物质自然会聚集在相同的位置；即使存在暗物质，发现引力场也指向可见物质并不奇怪。我们真正想要的是拿一个大的星系团，然后直接扫除所有的普通物质。根据假设，暗物质不直接与普通物质相互作用，所以我们可以想象移动普通物质，而留下暗物质。然后我们回头检查并确定引力在哪里，它应该指向留在原地的暗物质（如果存在的话），或者仍然指向普通物质（如果不存在）。幸运的是，宇宙已经为我们做了这件事。在子弹星系团（更正式的名称是 1E 0657-56）中，我们实际上发现了两个星系团，它们（相对而言）最近刚刚相互穿过。结果发现，星系团中绝大多数（约 90%）的普通物质不在星系本身，而是存在于炽热的 X 射线发射的星系际气体中。当这两个星系团相互穿过时，每个星系团中的炽热气体与另一个星系团中的气体发生碰撞，而单个星系和暗物质（假定是无碰撞的）则直接穿过。这里有一个我们认为发生的事件的mpeg 动画。正如上周NASA 媒体公告中所暗示的那样，由 Doug Clowe（亚利桑那大学）和Maxim Markevitch（CfA）领导的天体物理学家现在已经将钱德拉 X 射线望远镜获取的气体图像与从弱引力透镜观测推导出的引力场“图谱”进行了比较。他们的简短论文是astro-ph/0608407，一篇关于引力透镜的较长论文是astro-ph/0608408。答案是：那里绝对有暗物质！尽管这项结果被高度保密，但媒体公告和其他网络信息中透露了足够的线索，以至于一些科学侦探基本上能够弄清楚发生了什么。但他们无法获得最好的部分：图片！这里是 1E 0657-56 的全部辉煌，或者至少是其辉煌的一部分——这是光学图像，您可以在其中看到实际的星系。
发挥一点想象力，不难分辨出两个独立的星系聚集体，左边一个较大，右边一个较小。这很明显是星系团，但您可以通过红移来验证它们确实位于宇宙的同一位置，而不仅仅是不同距离的星系随机叠加。更好的是，您可以使用弱引力透镜来绘制星系团的引力场图。也就是说，您需要拍摄这些星系团后面的星系的高精度图像。背景星系的图像受到星系团引力场的轻微扭曲。这种扭曲非常轻微，如果您只看一个星系，您永远无法察觉它的存在；但看一百多个星系，您会开始注意到图像系统地对齐，这表明它们穿过了一个连贯的引力透镜。通过这些扭曲，可以反向推断并询问“什么样的质量聚集体可能产生了这样的引力透镜？” 这是答案，叠加在光学图像上。
这大约是您所期望的：暗物质集中在与星系本身相同的区域。但我们可以分别进行 X 射线观测来绘制炽热气体的分布图，这些气体构成了星系团中大部分的普通（重子）物质。我们看到的是这样。
这就是为什么它被称为“子弹”星系团——右边那个子弹状的区域是一个冲击波前。这两个星系团已经相互穿过，在各自的气体之间产生了极其剧烈的碰撞。这个“子弹”如此清晰明确表明，星系团基本上是垂直于我们的视线方向移动的。这次碰撞完全达到了我们的期望——它将普通物质从星系团中扫出，使其相对于暗物质（以及星系，它们在这种情况下充当无碰撞粒子）发生了位移。通过将弱引力透镜图谱和钱德拉 X 射线图像叠加，您可以直接看到这一点。
点击这些图像中的任何一张都会进入更高分辨率的版本。如果您使用支持标签页的浏览器，真正的乐趣在于将每张图片打开在一个单独的标签页中，然后在它们之间来回切换。从引力透镜观测重建的引力场，并没有指向普通物质。这正是您相信暗物质时所期望的，但从修正引力的角度来看却毫无意义。如果这些图片不能让您相信暗物质的存在，我也不知道还有什么能让您相信。那么，这是否是（在某些圈子里）期待已久的MOND 的终结？如果显然存在暗物质，我们还需要修正引力吗？事实上，即使只考虑普通物质，也很难用 MOND 来解释星系团（而非单个星系）的动力学。即使是 MOND 的支持者通常也同意，某种形式的暗物质是必需的，以解释星系团的动力学和宇宙学。当然，我们可能同时面临修正引力和暗物质。如果暗物质足够“温暖”，它可能无法在星系中积累，但对星系团仍然很重要。毋庸置疑，画面开始变得有些繁琐且不吸引人。但重点不在于 MOND 是否仍然有趣；毕竟，也许明天会有人提出一种新的修正引力理论，能够同时解释星系和星系团。重点在于，独立于任何特定的修正引力模型，我们现在知道那里确实存在暗物质。总会有某种形式的引力修正潜藏在我们探测的阈值之下，但现在我们已经毫无疑问地确定，我们需要大量的暗物质来解释宇宙动力学。这对物理学家来说是天大的好消息。理论家们现在知道该思考什么（暗物质的粒子物理模型），实验家们也知道该寻找什么（直接和间接探测暗物质粒子，在加速器上生产暗物质候选者）。暗物质不仅仅是未发光的普通物质；原初核合成和宇宙微波背景的限制暗示了普通物质数量的严格上限，而这远远不足以解释我们所需的所有物质。这个新结果并没有告诉我们暗物质是什么粒子，但它证实了这种粒子的存在。我们在理解宇宙清单的关键项目上无疑取得了进展。那么暗能量呢？暗能量的特征是它是平滑的（均匀分布在整个空间）且持久的（随时间缓慢演变，甚至不演变）。特别是，暗能量不会在星系或星系团等致密区域积累——它在任何地方都一样。因此，这些观测并没有直接告诉我们宇宙中占 70% 的、被认为是这种超奇异成分的本质。事实上，我们对暗能量的了解比对暗物质的了解还要少，所以我们有更多的自由来推测。仍然很有可能宇宙的加速膨胀可以通过修正引力来解释，而不是引入一种神秘的新成分。那么，我们的下一个任务之一显然是提出可能区分暗能量和修正引力的实验——其中一些人正在尽力而为。敬请关注，随着黑暗逐渐吞噬我们的宇宙，爱因斯坦继续拥有最后的胜利。
