迄今发现的最遥远暗物质可追溯到120亿年前

光速的恒定性确保了天文学家看到遥远的星系并非现在的样子，而是它们很久以前的样子。物质（普通物质或暗物质）也是如此，它们围绕着这些古老的星系。

天文学家最近利用了这一知识——以及宇宙大爆炸后不久发送的宇宙信号——来绘制约120亿年前暗物质在星系周围的分布情况。简而言之，他们发现暗物质的“团块”比预期的要少，如果得到证实，这将表明许多公认的宇宙学模型需要修正。

这项新发现发表在8月1日《物理评论快报》的一项研究中。

回到起点

尽管测量“看不见的”物质很困难，但通常的方法涉及两个星系，一个在前，一个在后。根据爱因斯坦的理论，前景星系巨大的引力实际上会扭曲其附近的时空结构。因此，当背景星系的光经过前景星系时，它会被弯曲，如同经过一个光学透镜。这导致背景星系既被严重扭曲又被放大，这种现象称为引力透镜效应。

由于背景星系（或“源星系”）在前景星系（“透镜星系”）具有大量质量时显得更加扭曲，天文学家可以通过分析扭曲来确定透镜星系周围物质（包括暗物质）的分布。

但是，这种方法只有在源星系足够亮以至于能够照亮透镜星系时才有效。由于极其遥远的星系极其暗淡，天文学家迄今为止一直无法评估80亿至100亿年前的暗物质。这使得他们对早期宇宙的真实结构几乎一无所知。

为了克服这一障碍，一个天文学家团队最近改变了方法。他们没有使用两个星系，而是选择了一个更遥远的光源来代替源星系：宇宙微波背景辐射（CMB），它是在宇宙仅有30万年历史时产生的。

“这是一个疯狂的想法，”该研究的作者、东京大学天文学家Masami Ouchi在一份新闻稿中说。“没有人意识到我们可以做到这一点。”

“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，”该研究的另一位作者、东京大学天文学家Yuichi Harikane补充道。“然而，我们可以回溯更远的过去，因为我们使用了更遥远的CMB来测量暗物质。这是我们第一次测量到几乎来自宇宙最初时刻的暗物质。”

照亮暗物质

为了采用他们的新方法，天文学家们选取了150万个星系——这些星系在约120亿年前的样子——共同作为引力透镜。而以更遥远的CMB作为背景源光，该团队能够测量暗物质在这些透镜星系周围的分布情况。

“我很高兴我们为那个时代打开了一扇新的窗口，”名古屋大学的另一位研究作者、天文学家Hironao Miyatake在新闻稿中说。“120亿年前，情况大不相同。”

据该团队称，他们的结果可能会挑战流行的宇宙学理论，包括认为CMB的微小波动是早期物质团块的最初来源，并最终形成了恒星和星系的观点。结果表明，早期宇宙比之前认为的要均匀得多。

“我们的发现仍然不确定，”Miyatake在新闻稿中说。“但如果属实，它将表明整个模型在回溯到更早的时期时是错误的。这很令人兴奋，因为如果结果在不确定性降低后仍然成立，它可能表明模型有所改进，从而能深入了解暗物质本身的性质。”

最终，该团队表示，他们的方法将为天文学家提供更准确的古代星系中暗物质的数量和分布的测量数据。它还将使天文学家能够探索早期宇宙的其他方面。

“利用大型巡天观测宇宙的一个优势是，你可以研究所得图像中的一切，从我们太阳系附近的近地小行星到早期宇宙最遥远的星系，”普林斯顿大学天体物理学教授、未参与该研究的Michael Strauss在新闻稿中说。“你可以用相同的数据来探索很多新问题。”