看到這么久之前發(fā)生的事情是具有挑戰(zhàn)性的。由于光速是有限的，我們看到的遙遠的星系不是它們今天的樣子，而是它們在數(shù)十億年前的樣子。但更困難的是觀察暗物質(zhì)--因為它不發(fā)光。

(相關(guān)資料圖)

考慮一個遙遠的源星系，甚至比目標(biāo)星系更遠，而我們想研究的是目標(biāo)星系的暗物質(zhì)。正如愛因斯坦的廣義相對論所預(yù)測的那樣，前景星系的引力--包括其暗物質(zhì)--扭曲了周圍的空間和時間。當(dāng)來自源星系的光穿過這種扭曲的時空時，它就會彎曲并改變星系的表面形狀。暗物質(zhì)的數(shù)量越多，產(chǎn)生的扭曲就越大。因此，天文學(xué)家可以從扭曲中測量前景星系周圍暗物質(zhì)的數(shù)量。

然而超過一定的閾值，科學(xué)家就會遇到一個問題。在宇宙的最深處，星系是非常微弱的。因此，我們看的離地球越遠，引力透鏡技術(shù)的效果就越差。因為透鏡的扭曲很微妙，在大多數(shù)情況下很難發(fā)現(xiàn)，所以需要許多背景星系來檢測信號。

以前的大多數(shù)研究都停留在相同的極限。由于無法探測到足夠遙遠的源星系來測量失真，他們只能分析不超過80-100億年前的暗物質(zhì)。這些限制使得從這個時間到137億年前，也就是我們的宇宙開始前后的暗物質(zhì)的分布問題沒有得到解決。

為了克服這些挑戰(zhàn)，從宇宙的最遠處觀察暗物質(zhì)，由名古屋大學(xué)的Hironao Miyatake領(lǐng)導(dǎo)的研究小組跟東京大學(xué)、日本國家天文臺和普林斯頓大學(xué)合作使用了不同的背景光源，即大爆炸本身釋放的微波。

首先，該小組通過利用斯巴魯超級超光速相機調(diào)查(HSC)的觀測數(shù)據(jù)，利用可見光確定了150萬個透鏡星系，這些星系被選為120億年前的星系。

接下來，為了克服更遠處的星系光的缺乏，他們采用了來自宇宙微波背景(CMB)的微波，即大爆炸的輻射殘留物。通過利用ESA普朗克衛(wèi)星觀測到的微波，該小組測量了透鏡星系周圍的暗物質(zhì)是如何扭曲微波的。

“看看遙遠星系周圍的暗物質(zhì)？”東京大學(xué)的Masami Ouchi教授問道，“這是個瘋狂的想法。沒有人意識到我們可以做到這一點。但在我做了一個關(guān)于大型遙遠星系樣本的演講之后，Hironao來找我，說也許可以用CMB來觀察這些星系周圍的暗物質(zhì)?！?/p>

“大多數(shù)研究人員使用源星系來測量從現(xiàn)在到80億年前的暗物質(zhì)分布，”東京大學(xué)宇宙射線研究所的Yuichi Harikane助理教授補充道，“然而，我們可以進一步追溯到過去，因為我們使用更遙遠的CMB來測量暗物質(zhì)。這是第一次，我們幾乎是從宇宙的最早時刻開始測量暗物質(zhì)?！?/p>

經(jīng)過初步分析，科學(xué)家們很快意識到，他們有足夠大的樣本來探測暗物質(zhì)的分布。結(jié)合大型遙遠星系樣本和CMB的透鏡扭曲，他們檢測到暗物質(zhì)的時間甚至更久遠--從120億年前開始。由于這僅僅是宇宙開始后的17億年，所以這些星系在首次形成后不久就會被看到。

“我很高興我們?yōu)槟莻€時代打開了一扇新的窗口，”Miyatake說道，“120億年前，事情是非常不同的。跟目前相比，你看到更多正在形成過程中的星系；第一個星系團也開始形成。星系團由100-1000個被引力束縛的星系和大量的暗物質(zhì)組成。”

來自普林斯頓大學(xué)的尤金-希金斯天文學(xué)教授、天體物理科學(xué)教授和本科生研究主任Neta Bahcall指出：“這一結(jié)果給出了一幅非常一致的星系及其演化圖景及星系內(nèi)和周圍的暗物質(zhì)以及這一圖景如何隨著時間的推移而演變?！?/p>

這項研究中最令人興奮的發(fā)現(xiàn)之一是跟暗物質(zhì)的團聚性有關(guān)。根據(jù)宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)理論，即Lambda-CDM模型，CMB的微妙波動通過引力吸引周圍的物質(zhì)而形成密集的物質(zhì)池。這產(chǎn)生了不均勻的團塊，在這些密集的區(qū)域形成了恒星和星系。該小組的研究結(jié)果表明，他們對團塊的測量低于Lambda-CDM模型的預(yù)測。

Miyatake對這種可能性充滿熱情?！拔覀兊陌l(fā)現(xiàn)仍是不確定的。但如果它是真的，它將表明，當(dāng)你進一步回到過去時，整個模型是有缺陷的。這是令人興奮的，因為如果在不確定因素減少后，這個結(jié)果仍成立，它可能暗示著對模型的改進，并可能會使人們了解暗物質(zhì)本身的性質(zhì)?！?/p>

“在這一點上，我們將嘗試獲得更好的數(shù)據(jù)以看看Lambda-CDM模型是否真的能夠解釋我們在宇宙中的觀察結(jié)果，”普林斯頓大學(xué)的副研究學(xué)者Andrés Plazas Malagón說道，“其結(jié)果可能是我們需要重新審視這個模型中的假設(shè)。”

“使用大規(guī)模的調(diào)查來觀察宇宙，如這項研究中使用的調(diào)查，其優(yōu)勢之一是你可以研究你在所得到的圖像中看到的一切，從我們太陽系中的附近小行星到早期宇宙中最遙遠的星系，”來自普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)系教授兼系主任Michael Strauss表示，“你可以使用同樣的數(shù)據(jù)來探索很多新問題。”

這項研究使用了現(xiàn)有望遠鏡提供的數(shù)據(jù)，包括普朗克和斯巴魯。該小組只審查了1/3的斯巴魯超級超微鏡調(diào)查數(shù)據(jù)。下一步他們將分析整個數(shù)據(jù)集，這將使他們能夠?qū)Π滴镔|(zhì)分布進行更精確的測量。在未來，該團隊期望使用像維拉-C-魯賓天文臺的空間和時間遺留調(diào)查(LSST)這樣的先進數(shù)據(jù)集來探索更多最早的空間部分?！癓SST將使我們能夠觀察到一半的天空。我看不出有什么理由我們接下來不能看到130億年前的暗物質(zhì)分布，”Harikane說道。