怪物之星的光芒中，一丝黑暗| 广达杂志

去年十月，当詹姆斯·韦伯太空望远镜第一次长时间曝光波江座附近的天空时，天文学家开始拼凑出一个似乎从宇宙最深处出现的昏暗、闪烁的光点的故事。

不管它是什么，它闪烁的时间太长，不可能成为超新星； 一颗星星也被排除在外。 “感觉就像你在 CSI 电影中一样，你是一名侦探，”说 何塞·玛丽亚·迭戈西班牙坎塔布里亚物理研究所的天体物理学家，致力于破译该信号。 “桌上有很多嫌疑人，你必须一一消灭（他们）。”

迭戈和他的同事最近报告说，微弱的光斑似乎来自 一个极端的恒星系统 他们给它们起了个昵称“魔斯拉”——一对超巨星，在整整 10 亿年前的全盛时期，它们的光芒几乎盖过了银河系中的所有其他恒星。

那时，整个宇宙比现在的地球还年轻； 当摩斯拉光子到达其宇宙之旅的一半时，我们的星球才开始合并，这个世界将开发出一个巨大的红外敏感太空望远镜，正好能及时捕捉到它们的光。 探测单个恒星系统发出的光在很久以前是不可能的。 但是，天文学家在 JWST 和哈勃太空望远镜的图像中发现的一系列最古老、最远、一般最高级的恒星系统中，莫斯拉只是最新的一个，它是以一种受蚕蛾启发的怪兽命名的。 奇怪的是，虽然魔斯拉和它的野兽兄弟本身就是令人着迷的天体物理物体，但最让迭戈兴奋的是，怪物恒星的光芒似乎揭示了漂浮在它和地球之间的一种非常不同的物体：一个原本看不见的物体他和同事计算出的暗物质块的重量是太阳质量的 10,000 到 2.5 万倍。

如果这样的物体真的存在——目前是初步结论——它可以帮助物理学家缩小他们关于暗物质的理论范围，也许，只是也许，解开宇宙无法解释的质量之谜。

截至 2023 年，实验室寻找单个暗物质粒子的努力已经一无所获，这让一些天体物理学家产生了严峻的务实怀疑，即人类对这种神秘物质进行测量的唯一方法可能是研究它对更广阔宇宙的引力影响。 因此迭戈的团队和其他人正在寻找宇宙中黑暗物体的幽灵轮廓。 他们希望识别出存在的最小暗物质团块——这反过来又取决于暗物质粒子本身的基本物理学。 但纯暗物质团块不仅仅出现在天文学家面前；它们也出现在天文学家面前。 团队使用观察技巧从阴影中诱出此类阴影。 现在，天文学家正在关注各种宇宙现象，从空间扭曲的引力透镜（一种看不见的、以暗物质为主的放大镜，揭示了摩斯拉）到离我们更近的飘动的丝带状星流。 到目前为止，这些努力已经排除了一组称为“暖暗物质”的流行模型的许多变体。

“你无法触及暗物质，”说 安娜·尼伦伯格是加州大学默塞德分校的天体物理学家，他正在利用 JWST 寻找暗星际斑点。 但是找到用它制成的小型结构吗？ “这已经是最接近的了。”

晕，晕，晕

我们对暗物质知之甚少，轮廓模糊。 数十年的证据表明，要么引力理论不完整，要么正如天体物理学家更普遍认为的那样，暗物质粒子困扰着宇宙。 在一项经典的观察中，恒星似乎在星系的外围奔跑，就好像它们受到的引力比可见物质所暗示的要强大得多。 通过测量这些恒星的运动并应用其他技术来识别具有额外重量的空间区域，天文学家可以直观地看到宇宙暗物质在更大尺度上的分布情况。

“如果我们有暗物质护目镜，”尼伦伯格说，在每个星系周围，我们可能会看到“一个比星系本身大得多的、模糊的、延伸的西瓜形结构。” 天文学家估计，对于我们的银河系，这个弥漫的暗茧（称为光环）的重量约为一万亿个太阳质量，比银河系恒星螺旋盘宽十倍多。

然而，放大到更小的尺度，科学的确定性就会崩溃。 银河系的暗物质晕是光滑的斑点吗？ 或者它排列成团，称为子光晕？ 如果是这样，这些团块的大小是多少？

这些答案可以让科学家们确定暗物质的真实本质。 宇宙如何演化其当前结构（由珍珠般的星系串编织而成的宇宙网）的模型预测，暗物质粒子，无论它们是什么，都会在大爆炸后的最初几十万年里聚集成小的、受引力束缚的团块。 许多团块合并并最终吸收了可见物质。 它们长成了星系的种子。 但一些没有合并的最小暗晕应该仍然作为“早期宇宙结构形成的残余物”存在。 伊桑·纳德勒，卡内基天文台和南加州大学的天体物理学家。 “有点像时光机。”

找到并称量这些遗迹团块将有助于物理学家加强对暗物质基本物理学的掌握——包括神秘粒子的质量和它的“温度”，这是一个有点误导性的术语，描述了单个粒子云快速移动的速度。

暗物质之谜的主要嫌疑人之一是冷暗物质，在这一类模型中，罪魁祸首是相对较重且缓慢的粒子。 一个例子是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。 如果这些理论是正确的，那么这些粒子很容易在早期宇宙中形成自引力团块，其中一些可能只有地球质量那么小。 今天，这些挥之不去的暗物质迷你光环应该仍然漂浮在像银河系这样的更大的星系集体光环内部和周围。

但是，如果较轻的暗物质粒子更快地穿过早期宇宙，正如一类“暖”暗物质模型所表明的那样，那么只能形成具有更大引力的更大团块。 这些模型表明，暗物质结构存在一个界限，即一个最小质量，在该质量之下不存在光晕。 因此，每当有人发现一个新的、已知最小的暗晕（比如所谓的地球和魔斯拉之间的暗晕）时，理论学家就被迫排除越来越酷的情况。

另一类流行的模型称为模糊暗物质，假设只是一个暗物质粒子的耳语——也许是 10 个²⁸ 比电子轻几倍。 例如，称为轴子的假设粒子可能在这个尺寸范围内，并且也相对较冷。 这些轻量级物体的行为更像是波而不是粒子，在星系中荡漾。 就像温暖的暗物质一样，这种波状的化身不会在比星系更小的质量尺度上形成引力束缚的团块。 但超轻暗物质还有另一种说法。 当模糊的暗物质波在光环内相互重叠时，它们可能会形成更小的干涉图案，称为颗粒——暗物质密度较高的颗粒状区域——这将赋予它们自己可测量的引力特征。

排除其中一些理论需要找到——或者明显找不到——质量越来越小的暗物质晕。 这项研究首先确定了已知包裹着矮星系的最小光晕，即仍重达数亿太阳质量的暗物质团块，现在正在努力探索未知世界。 但问题是，这些假设的小型暗晕可能缺乏吸引常规物质和点燃恒星所需的引力。 它们无法被直接看到——它们只不过是沉重的阴影。 “我们一直在寻找证据，”说 马修·沃克，卡内基梅隆大学天体物理学家。 “只是很难找到。”

镜头的教训

当今对小型暗子光晕的最先进搜索依赖于一种近乎奇迹的现象：引力透镜效应。 爱因斯坦预测，引力透镜是一个巨大物体周围扭曲的时空区域。 该物体的引力场（透镜）会扭曲和聚焦背景光，就像放大镜可以放大蚂蚁的图像或集中阳光足以点燃火一样。

每个透镜对准都涉及从宇宙遥远的海岸发出的光源和透镜本身。 通常，这些透镜是巨大的星系或星系团，它们扭曲时空，并且由于宇宙的偶然性，在遥远的源头和地球之间恰好对齐。 镜头可产生一系列光学效果，从光弧到同一背景源的多个副本，再到高度放大的物体图像，否则这些图像因距离太远而无法看到。

2017 年，天文学家仅通过在透镜状宇宙中捕鱼，才拍摄到 伊卡洛斯，一颗大约 9 亿年前燃烧明亮的恒星。 最近，他们发现了近 13 亿岁的埃伦德尔 (Earendel)，它是目前最古老恒星的记录保持者， 发出尽可能多的光 其本身相当于一百万个太阳。 他们还发现了哥斯拉，一颗充满能量的遥远恒星 正在经历一场爆炸性的爆发，以及哥斯拉的同伴怪物摩斯拉，它似乎是类似类型的可变对象。 （“是的，我们对此很感兴趣，”迭戈谈到他的团队的命名过程时说道。）

但引力透镜不仅仅是通往宇宙另一边的门户。 暗物质猎人长期以来一直认为这些透镜至少和它们放大的东西一样有趣。 透镜扭曲和扭曲背景图像的精确方式与透镜星系或星团内部和周围的质量分布相对应。 如果暗物质存在于已知的星系大小光晕模式内的无星小团块中，那么天文学家也应该能够看到这些团块周围的光线弯曲。

通过这种方法检测到的最小暗晕已经可以与矮星系周围测量到的最小暗晕相媲美。 2020 年，包括尼伦伯格在内的一个团队使用哈勃太空望远镜和夏威夷凯克天文台观察类星体的放大图像——落入黑洞的物质发出的炽热光——并 发现了小至数亿太阳质量的暗晕的证据。 这与最小星系相关的粗略光晕大小相同，与纳德勒在统计上的一致程度 一项研究 次年发表，用于排除由比电子轻约 1/50 的粒子组成的暖暗物质模型，在这种模型中永远不会形成如此小的团块。

与此同时，今年，两个团队使用透镜类星体来寻找模糊的、轻如羽毛的暗物质粒子颗粒——根据第一作者的说法，这些颗粒的形成过程类似于游泳池表面出现涟漪的过程。其中一项研究， 戴文·鲍威尔 马克斯·普朗克天体物理研究所的教授。 “你会发现事情的分布非常混乱、不稳定，”他说。 “这只是波干扰。”

他的团队的分析发表于 XNUMX 月 皇家天文学会月刊，没有找到证据 波状暗物质效应 在来自一个引力透镜的光弧的高分辨率图像中，表明暗粒子一定比最小的模糊候选者更重。 但四月份的一项研究 自然天文学， 由...领着 阿尔弗雷德·阿姆鲁斯 香港大学的研究人员观察了背景类星体的四个透镜副本，得出了相反的结论：他们认为，透镜是由模糊暗物质制成的， 更好地解释 他们的数据有微小的波动。 （两个团队之外的专家表示，鉴于预期的信号很微妙并且实验方法是新的，相互矛盾的发现并不完全令人惊讶 广达.)

与此同时，尼伦伯格和她的同事去年一直在使用 JWST 来观察放大类星体的引力透镜，暂定目标是在 XNUMX 月份发布他们的第一份分析结果。 理论上，他们计算出，JWST 揭示透镜中小尺度结构的能力应该能够揭示暗晕是否以完全不可见、无恒星的团块形式存在，其尺寸范围为数千万个太阳质量。 如果是这样，这些光晕将对暗物质的“温暖”程度施加迄今为止最强烈​​的限制。

这种通过引力透镜观察像魔斯拉这样的极端遥远恒星的更新方法可能很快就会从识别一次性好奇心转变为 JWST 时代天文学的常规特征。 如果迭戈和他的同事是正确的，他们之所以能看到摩斯拉，是因为它被一个重量不到几百万个太阳质量的暗物质团块透镜化，那么仅凭这一观察就可以排除大范围的暖暗物质模型。 但它仍然支持冷暗物质和模糊暗物质，尽管在后一种情况下——摩斯拉的额外放大来自暗物质的致密颗粒而不是引力束缚的团块——它仍然会迫使模糊暗物质进入一个狭窄的范围可能的质量。

迭戈说，天文学家正在利用哈勃望远镜和 JWST 发现更多的透镜状恒星，并密切关注其他可能来自小型暗天体周围星光弯曲的异常光学扭曲。 “我们才刚刚开始触及表面，”他说。 “这些天我没有太多假期。”

星流中的黑暗岛屿

其他对小型暗物质晕的搜索都集中在距离更近的恒星上——银河系附近的流带中的恒星，以及附近矮星系中的双星。 2018年， 安娜·博纳卡现在是卡内基天文台的天体物理学家，他竞相从欧洲航天局的盖亚航天器下载数据，该航天器测量了银河系中近 2 亿颗恒星的运动。 博纳卡对这些最初的观测结果进行了整理，并从属于 GD-1 结构的恒星中分离出了信息。 她说，她所看到的“立即超级令人兴奋”。 “我们急于在接下来的一周左右写一篇论文。”

GD-1 是一条恒星流，是一串松散的银河系恒星——如果你能用肉眼辨认出来的话——它会延伸到夜空的一半以上。 这些恒星很久以前就被从球状星团中弹射出来。 它们现在在该星团的两侧绕银河系运行，在其路径前后摆动，就像标记星际通道的浮标一样。

在他们的分析中 博纳卡的团队在 GD-1 中发现了一块插入的暗物质的理论指纹。 具体来说，GD-1 的一部分似乎被分成两半，就好像一个巨大的看不见的物体跌跌撞撞地穿过了踪迹，拖曳着恒星。 他们计算出，那个经过的物体可能是一个重达几百万个太阳质量的暗物质子晕——这也使其成为假定的最小暗物质团块的竞争者，并对温暖暗物质的更烤面包变体构成潜在威胁。

但如何将单一发现转化为更具统计性的结果呢？ 博纳卡说，到目前为止，天文学家已经记录了大约 100 个恒星流。 虽然只有少数物体得到了详细研究，但每一个经过仔细研究的物体都有自己不寻常的扭结和弯曲，这些扭结和弯曲可能来自于与类似的小而暗的物体的引力相遇。 但观察结果尚未得出结论。

“我认为最好的方法是同时分析流，”她说，“以了解[这些不寻常的特征]中有多少来自暗物质。”

在更小的尺度上，卡内基梅隆大学的沃克去年一直在扫描《JWST》对矮星系的观测结果，以寻找他能找到的最脆弱的恒星系统：距离很远、以松散的引力拥抱在一起的双星。 如果小型暗晕——冷暗物质模型认为应该存在大量的物体——不断经过并对周围环境施加引力，那么这些非常宽的双星就不应该存在。 但如果宽双星确实出现，那就表明小型暗晕并不存在——这对预测它们的许多冷暗物质模型来说是一个沉重的打击。

“这就是我所说的对银河系下暗物质晕的反搜索，”沃克说。

在墙里移动

寻找宇宙阴影仍然只是一项更大努力的一小部分，该努力旨在确定迄今为止遥不可及的事物。 旨在捕获符合模糊、温暖和冷暗物质范式的粒子的地球实验正在启动； 研究小组仍在寻找暗物质物理学的其他标志，从粒子与正常物质相互作用时产生的副产物，到暗物质密度在暗晕中如何上升和下降的微妙问题，这取决于暗粒子如何相互作用与彼此。

特雷西·斯莱特（Tracy Slatyer）麻省理工学院的理论物理学家将暗物质之谜想象为一个巨大的盒子，里面充满了无数的可能性，但只有一个正确的答案。 在这个类比中，她的策略是用关于暗物质粒子特性的具体的、不可证伪的想法深入剖析这个盒子。 然而，盒子的侧面代表了天文学家可以提供的唯一真正的限制性事实，例如暗物质的温度上限，以及它的模糊程度（或轻量）的下限。

斯拉蒂尔说，如果天文学家能够自信地探测到百万太阳质量范围内的全暗宇宙物体，那将是一次“观测杰作”。 “这将是令人难以置信的。” 她的盒子的墙壁会向内移动，缩小了可供可能性的空间。

即将到来的技术可能很快就会将这些不同的搜索从早期的黑暗探索转变为对支撑宇宙的阴影结构的更深入的探索。 JWST 将在未来几年深化对引力透镜的研究； 例如，Nierenberg 的团队已开始使用 31 个此类系统，但计划最终分析其中 2027 个。 南希·格雷斯·罗马太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）是一座视野更广阔的哈勃级天文台，当它于 2024 年发射时，它应该会让像沃克所做的那样更容易地平移矮星系。 维拉·C·鲁宾天文台 (Vera C. Rubin Observatory) 以一位先驱天文学家的名字命名，他的观测迫使研究人员从一开始就认真对待暗物质之谜。一旦 XNUMX 年开始在智利进行观测，该天文台将揭示恒星流的更多细节。这两个天文台将共同揭示恒星流的更多细节。应该会出现数千个新的引力透镜，可以搜寻黑暗的子结构。

到目前为止，所有观测结果都没有推翻流行的冷暗物质模型，该模型预测宇宙中散布着越来越小的暗物质团块。 随着天文学家继续费力地寻找这些团块，许多理论家和实验家希望地球上的粒子物理实验能够更快地揭开谜团的核心。 但揭露这些孤立的黑暗区域——以及伴随它们的任何复杂的物理现象——就像“获得一个更干净的实验室”，斯拉蒂尔说。 “我们正处于一个激动人心的时刻。”