科学家打造人类史上最详尽暗物质图，宇宙“骨架”曝光

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地球是一个奇迹

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借助詹姆斯・韦伯空间望远镜的观测数据，天文学家绘制出了迄今为止分辨率最高的暗物质分布图。这张图像中包含了分布图所覆盖的近80万个星系，叠加呈现了暗物质的密集区域。｜国家地理图片集

物理学界存续最久、意义最重大的核心谜题之一，便是暗物质究竟为何物。

这种不可见的神秘物质，在宇宙中的总量约为构成人类、动物、行星、恒星以及人类所有可观测万物的普通物质的五倍。

尽管科学家无法借助望远镜直接探测暗物质，却能在星系、星系团等宇宙大尺度结构上，观测到它的引力作用留下的痕迹。

但想要解开暗物质的终极奥秘，科研人员首先要厘清一个关键问题：暗物质究竟分布在宇宙何处？

此前学界已通过多种路径尝试绘制宇宙暗物质分布图，而1月26日发表于《自然·天文学》（Nature Astronomy）期刊的一项全新研究，发布了迄今为止分辨率最高的暗物质分布图。

该研究依托詹姆斯·韦伯空间望远镜的观测数据，进一步夯实了科学界的主流理论：暗物质凭借自身引力，将普通物质聚拢成团，最终演化成宇宙中最早的天体结构。

韦伯望远镜的全新暗物质分布图揭示，暗物质（以蓝色标注）扮演着隐藏骨架的角色，宇宙中所有可见星系均依托这一骨架形成。｜国家地理图片集

英国杜伦大学（Durham University）物理学家、该研究合著者理查德·梅西（Richard Massey）表示：“暗物质搭建起了引力骨架，宇宙万物都依附于这副骨架成型，并最终构成星系。而在这张分布图中，我们真切观测到了这一演化过程。”

若是没有暗物质，宇宙中便没有足够的物质通过引力将星系维系在一起，我们所处的银河系——这颗承载着地球等数十亿颗行星的星系，也无法以如今的形态存在于宇宙之中。

深挖宇宙演化巡天场

这张分布图覆盖的天区，隶属于著名的宇宙演化巡天场（COSMOS field），该区域早已被哈勃空间望远镜及其他天文观测设备开展过详尽研究。

全新的韦伯望远镜暗物质图，涵盖了近80万个星系，其中绝大多数都是此前未被发现的新星系；而这片观测区域仅占天空的极小一角，面积大约是满月的2.5倍。

值得一提的是，约二十年前，哈勃望远镜就曾获取过宇宙演化巡天场的精细成像，在当时实现了具有里程碑意义的宇宙结构观测。

如今依托韦伯望远镜的超高分辨率数据，科研人员可以将新观测数据与旧观测成果叠加比对，既验证过往的分析结论，也能挖掘宇宙基础结构的全新特征。

该研究牵头人、美国国家航空航天局喷气推进实验室宇宙学研究员黛安娜·斯科尼亚米利奥（Diana Scognamiglio）评价道：“我们能看到新旧观测呈现的宇宙结构高度契合，而新数据还展现出前所未有的精细细节，成果堪称震撼。”

韦伯望远镜能够捕捉红外波段光线，得以观测到数十亿年前宇宙早期形成的星系。这一优势让科学家得以推断出名为纤维状结构的暗物质结构的存在，这些结构交织编织成宇宙网，星系就像串在无形丝线之上的珠串，有序排布其中。

数十年前，研究人员基于哈勃空间望远镜的观测数据，绘制出了同一片天区——即宇宙演化巡天场的暗物质分布图（左图为哈勃望远镜绘制的图谱，右图为韦伯望远镜的新图谱）。｜国家地理图片集

梅西说道：“从大爆炸后的不同宇宙时期，到与地球相距各异的宇宙空间，但凡有暗物质存在的地方，星系就如同珠串般绵延分布。”科研人员认为，宇宙诞生之初，暗物质便率先聚合形成引力骨架，普通物质随后附着其上不断积聚。

韦伯望远镜的这张分布图，为这一理论提供了强有力的支撑。梅西补充道：“暗物质存在的区域，会通过引力吸纳普通物质，当某一区域的普通物质积聚到临界量，恒星与行星便随之孕育而生。”

科学家如何构建这张暗物质分布图

为了间接探测这片天区内的大型暗物质源，科研团队采用了引力透镜效应这一观测技术。星系、星系团这类大质量宇宙天体，会让来自更遥远光源的光线发生弯折，呈现出畸变形态。

在强引力透镜效应现象中，遥远光源的光线会被增亮，表现为放大效果，甚至围绕前景天体扭曲形成环状。

而本次研究团队重点捕捉的，是更为细微的弱引力透镜效应：暗物质干扰光线的传播轨迹，使得背景星系的形态发生极其轻微的扭曲或偏移。想要计算出引发弱引力透镜效应的暗物质总量，必须分析海量的星系样本。

下图分别为宇宙演化巡天场的哈勃望远镜暗物质分布图（左）与韦伯望远镜暗物质分布图（右）。叠加的等高线标注了暗物质密度相等的区域。｜国家地理图片集

梅西形象地解释：“我们观测的星系会扭曲成独特的形态，如同照哈哈镜，又或是透过厨卫的毛玻璃视物。我们通过解析背景星系的形变规律，推算出暗物质的分布与总量。”

梅西还表示，这种间接探测暗物质的方式，好比通过观察枝叶摆动，推断出是风带动了枝叶晃动。要测算数十万星系的细微形变，绝非易事。

研究团队利用韦伯望远镜对这片天区累计观测255小时，这也是该望远镜2022年正式开启科学观测任务后，首年执行的规模最大的巡天项目。

这张分布图的价值远不止于图本身

不过，这张暗物质分布图的发布，仅仅是相关研究的起点。

并未参与本次研究的卡内基梅隆大学物理学家蕾切尔·曼德尔鲍姆（Rachel Mandelbaum）表示，十分期待基于这张分布图展开的后续科研工作，包括分析特定星系类型与对应区域暗物质含量的关联、星系的整体分布规律，以及深入探索星系空洞区（voids）——即星系数量远低于宇宙平均水平的特殊宇宙区域。

她认为，这类分析“将帮助我们解答关于宇宙本源、物质分布规律以及星系演化历程的基础科学问题”。

韦伯暗物质分布图的问世，恰好拉开了暗宇宙探索黄金时代的序幕。2023年成功发射的欧洲空间局欧几里得望远镜、预计今年秋季升空的美国国家航空航天局南希·格雷斯·罗曼空间望远镜，将针对更广阔天区的暗物质开展互补性观测。

这两台望远镜均专为大尺度巡天观测设计，而韦伯望远镜则聚焦小范围天区，实现极致精细的观测。

2025年6月发布首批科学成像的智利薇拉·C·鲁宾天文台，也将同步发布星系与暗物质分布图谱，进一步深化人类对这一宇宙终极谜题的认知。

杜伦大学研究员、该研究联合牵头人加文·勒鲁瓦（Gavin Leroy）评价：“这张分布图，是我们未来解锁所有暗物质相关新知的关键第一步。”

目前，科研团队正着手绘制韦伯暗物质分布图的三维版本。结合其他天文台的大尺度巡天数据，科学家终将精准探明暗物质自身的物理属性：

暗物质究竟是由大质量、运动缓慢的冷暗物质粒子（cold dark matter particles）组成，还是由质量更轻、运动速度更快的温暗物质粒子（warm dark matter particles）构成？

斯科尼亚米利奥表示：“希望这张分布图能成为相关领域后续研究的坚实基石，我们也将整合其他望远镜的观测数据，开展深度宇宙学研究，真正揭开暗物质的本质面纱。”