哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的這張圖像展示的是星系團(tuán)MACS J1206。像這樣的星系團(tuán)質(zhì)量巨大，其引力非常強(qiáng)勁，甚至能像放大鏡一樣彎曲光線。

圖源：NASA, ESA, M. POSTMAN (STSCI) AND THE CLASH TEAM

撰文：MICHAEL GRESHKO

與人類一樣，星系也忍受不了孤獨(dú)。受引力牽引的星系傾向于聚群，一些星系甚至最終成了宇宙里的“大都市”：高達(dá)一千個(gè)星系聚成的團(tuán)，全部重量超過我們太陽1千億倍。

雖然我們可以看到星系團(tuán)中閃耀的恒星，但可見的只是整個(gè)結(jié)構(gòu)的一小部分。據(jù)科學(xué)家所知，有一團(tuán)真正的重量級(jí)的東西藏在物質(zhì)里，而且不可見，那就是無形而神秘的暗物質(zhì)。與城市之下的水泥、瀝青一樣，一大團(tuán)球狀的暗物質(zhì)支撐著整個(gè)星系團(tuán)。與從城市街道上拔地而起的高樓一樣，每個(gè)星系也被包裹在自己的暗物質(zhì)小球里。

幾十年來，天文學(xué)家一直試圖理解暗物質(zhì)是如何肩負(fù)起宇宙“城市規(guī)劃者”的角色，塑造我們宇宙的結(jié)構(gòu)。不過，最新的研究發(fā)現(xiàn)，無論暗物質(zhì)是什么，它的行為都出乎研究人員的預(yù)料。

近日，《科學(xué)》刊發(fā)的一篇論文中，研究人員調(diào)查了11個(gè)巨大星系團(tuán)使經(jīng)過的光線彎曲的情況。該研究發(fā)現(xiàn)，這些星系團(tuán)里所蘊(yùn)含的暗物質(zhì)團(tuán)的數(shù)量，比之前超級(jí)計(jì)算機(jī)模型預(yù)測(cè)的要多10倍。

“當(dāng)你發(fā)現(xiàn)如此大的差距時(shí)，最常見的情況是模型里的某個(gè)元素需要調(diào)整?！痹撗芯空撐牡暮现?、美國(guó)耶魯大學(xué)理論天體物理學(xué)家Priyamvada Natarajan說，“但有時(shí)，在科學(xué)史上非常罕見的情況下，這一差距其實(shí)是指向了一個(gè)新的理論?！?/p>

宇宙透鏡

目前關(guān)于宇宙關(guān)鍵材料，及不同材料隨時(shí)間相互交互理論的主要模型是Λ冷暗物質(zhì)模型（Lambda-CDM），而這篇新論文是對(duì)該模型發(fā)起挑戰(zhàn)的一項(xiàng)最新研究成果。

根據(jù)Λ冷暗物質(zhì)模型，宇宙所有物質(zhì)和能量中，重子物質(zhì)不到5%，即構(gòu)成行星、恒星、星系、有機(jī)體及所有我們能看到物質(zhì)的粒子集合。宇宙的大部分，約68%是暗能量，以希臘字母Λ（英語讀作/'l?md?/）表示。正是暗能量這種神秘的斥力驅(qū)使宇宙加速膨脹。

宇宙里剩下的27%是由一種不可見的東西組成，那就是暗物質(zhì)。根據(jù)上述模型，暗物質(zhì)有質(zhì)量，并能夠形成引力場(chǎng)，不會(huì)和它們自身發(fā)生反應(yīng)，不會(huì)發(fā)光，也不會(huì)通過引力之外的方式與常規(guī)物質(zhì)相互作用。

為了驗(yàn)證Λ冷暗物質(zhì)模型，意大利博洛尼亞天文臺(tái)的Massimo Meneghetti帶領(lǐng)的研究人員決定審視一下已知最大的幾個(gè)星系團(tuán)。該團(tuán)隊(duì)通過測(cè)量在望遠(yuǎn)鏡中形成炫光的現(xiàn)象，調(diào)查星系團(tuán)中物質(zhì)的分布情況。

正如一個(gè)保齡球放在蹦床上會(huì)使布料變形、拉伸一樣，物質(zhì)也會(huì)改變其周圍時(shí)空的幾何形狀。星系與星系團(tuán)這類巨大的天體會(huì)使時(shí)空彎曲得非常厲害，以至于能使經(jīng)過的光線彎曲。天文學(xué)家能觀測(cè)到這種名為“引力透鏡”的現(xiàn)象。

當(dāng)某個(gè)天體極大、密度極高時(shí)，它所產(chǎn)生的引力透鏡甚至能使光線分裂。對(duì)我們有利的是，這種反?，F(xiàn)象看上去就像是這個(gè)天體被同一個(gè)背景光源的多重影像所包圍。

暗物質(zhì)的引力又會(huì)使這種效應(yīng)加強(qiáng)，而且星系團(tuán)里似乎填滿了這種東西。根據(jù)我們最佳的模型，不光有星系團(tuán)被巨大的暗物質(zhì)球形光環(huán)所包裹，星系團(tuán)里的單個(gè)星系也處在自己的暗物質(zhì)“亞光環(huán)”里。

Meneghetti的團(tuán)隊(duì)測(cè)繪了11個(gè)星系團(tuán)，計(jì)算了較小的引力透鏡的數(shù)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)量是預(yù)期的10倍多。這一觀測(cè)結(jié)果表明暗物質(zhì)亞光環(huán)的密度比計(jì)算機(jī)模擬的更高，而這個(gè)結(jié)果似乎與Λ冷暗物質(zhì)模型相悖。

修正宇宙理論

這并非宇宙觀測(cè)結(jié)果與Λ冷暗物質(zhì)模型首次出現(xiàn)相悖。然而，美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的天體物理學(xué)家Mike Boylan-Kolchin（未參與本研究）解釋說，新發(fā)現(xiàn)之所以尤為令人意外，是因?yàn)檫@一錯(cuò)位與目前對(duì)這一模型的其他驗(yàn)證都不一樣。

附近星系的結(jié)構(gòu)意味著這些位置的暗物質(zhì)的密度比理論預(yù)測(cè)的低。然而，這個(gè)新的反常卻“另辟蹊徑”，要求星系團(tuán)中的暗物質(zhì)的密度比Λ冷暗物質(zhì)模型預(yù)測(cè)的高，否則就不可能出現(xiàn)這種觀測(cè)結(jié)果。

Meneghetti說：“我們發(fā)現(xiàn)的這個(gè)難題完全走向了反方向。”

導(dǎo)致理論與觀測(cè)結(jié)果之間產(chǎn)生新沖突的原因是什么呢？有可能是計(jì)算機(jī)模型未能完美地捕捉到星系形成的機(jī)制，也可能只是計(jì)算機(jī)模型沒有解決方案去模擬如此龐大的結(jié)構(gòu)。但是，該論文的作者們稱，他們考慮到了這些可能的誤差，而且截至目前，這些誤差都無法解釋觀測(cè)與模型之間如此大的差異。

還有一個(gè)挑戰(zhàn)在于，任何理論修正都要與Λ冷暗物質(zhì)模型對(duì)宇宙其他特征的解釋一樣完美。Λ冷暗物質(zhì)模型認(rèn)為暗物質(zhì)是“冷的”，或者說在宇宙早期粒子運(yùn)動(dòng)得相當(dāng)緩慢。這種遲緩很有必要，能使某些地方的暗物質(zhì)密度比平均值稍高一些。這些密度稍高的區(qū)域隨后因自身重力坍縮，促使常規(guī)物質(zhì)聚集形成恒星、行星和星系。

盡管Λ冷暗物質(zhì)模型在解釋大尺度宇宙系統(tǒng)時(shí)很出色，但它的預(yù)測(cè)卻與直徑小于330萬光年（大星系或星系團(tuán)的尺度）的結(jié)構(gòu)并不相符。天文學(xué)家們通常所看到的小天體數(shù)量比Λ冷暗物質(zhì)模型預(yù)測(cè)的少，星系內(nèi)高密度區(qū)域的數(shù)量也比模型預(yù)測(cè)的少，而新觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)的高密度區(qū)域甚至比模型預(yù)測(cè)的更多。

未來的理論模型必須要解釋暗物質(zhì)在小尺度下的兩面性特征。美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校的天體物理學(xué)家James Bullock（未參與本研究）稱：“這就像是需要同時(shí)穿過幾個(gè)不同的針鼻兒一樣?！?/p>

英國(guó)杜倫大學(xué)的物理學(xué)家Mathilde Jauzac是引力透鏡方面的專家（并未參與本研究）。她補(bǔ)充說，進(jìn)一步驗(yàn)證這一問題會(huì)非常復(fù)雜。一個(gè)原因在于星系團(tuán)并不常見。這次的新研究已經(jīng)包含了盡可能多的星系團(tuán)，也就是11個(gè)。

Mathilde Jauzac補(bǔ)充道，由于大星系團(tuán)很罕見，因此在模擬中出現(xiàn)得并不頻繁。所以，為了看到更多星系團(tuán)，建模者必須得模擬出更大的空間，也就需要更大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算。

當(dāng)天體物理學(xué)家們?cè)讦浒滴镔|(zhì)模型中發(fā)現(xiàn)足夠多的矛盾，他們或許將能夠發(fā)現(xiàn)新的理論，更精確地解釋我們的宇宙：大爆炸如何引發(fā)一系列宇宙反應(yīng)，最終一步一步地、一顆星一顆星地產(chǎn)生我們的地球，并最終孕育出我們。