星系是宇宙中最壮丽的结构，它包含了大量的恒星、行星、气体和尘埃。但除了这些可见的物质外，天文观测还表明，绝大多数的星系实际上还被所谓的“暗物质晕”包围。
暗物质是宇宙中最神秘的存在，尽管我们无法直接看见它，但通过一些巧妙的方法就能够推断出它的数量应当远超普通物质。暗物质的存在对宇宙的演化至关重要。在一项最新的研究中，天文学家绘制了大约120亿年前暗物质是如何分布在星系周围的。他们的研究结果表明，暗物质的聚集度比理论预期的更低。
引力透镜
我们知道，光速是有限的，因此星系发出的光在抵达地球之前，往往需要经历漫长的时间。这就意味着当天文学家观测到星系时，实际上看到的并非它们今天的样子，而是它们过去的样子。星系越遥远，我们看到的星系就越古老。当然，观测它们的难度也就越高。
但更有挑战性的是观测暗物质，因为暗物质本身并不发光。测量暗物质的经典方法会涉及两个星系：前景星系（或透镜星系）和背景星系（或源星系）。根据爱因斯坦的广义相对论，前景星系的巨大引力会扭曲周围的时空结构，所以当来自背景星系的光线在经过前景星系时，就会发生弯曲，就好像被光学透镜所弯曲一样。这就会导致背景星系的畸变和放大，这种效应被称为引力透镜。
当前景星系所包含的质量越大时，经过的光线也会弯曲得更严重，因此背景星系也会出现更严重的畸变。天文学家可以通过分析畸变的程度来估算出前景星系周围的物质（包括暗物质）分布。
但如果天文学家想要观测那些极其遥远的星系时，就面临着一个巨大的挑战，因为那些星系实在是太暗淡了。所以当我们看得越远时，这项技术的效果就越弱。因此，在过去，天文学家由于无法探测到足够多的的遥远背景星系来测量畸变，他们只能分析不超过80到100亿年前的暗物质分布。这在很大程度上限制了我们对早期宇宙的真实结构的了解。
回到最初
为了克服这一障碍，最近一组天文学家改进了这一方法。他们没有选择两个星系，而是选择用一个不同的背景光源：宇宙微波背景（CMB）。
宇宙大爆炸发生于大约138亿年前，自那之后，宇宙便一直在膨胀，变得越来越大，也变得越来越冷。在大爆炸后的约38万年，宇宙已经冷却到足以让原子形成，使光子开始自由地传播，形成了CMB辐射。今天，CMB辐射仍然弥漫于整个宇宙之中，但其波长早已被拉到微波波段。
就像来自遥远星系发出的光源一样，CMB也会被含有暗物质的星系扭曲。这就使研究人员能够从宇宙诞生之初就开始测量暗物质的分布。
（图/Reiko Matsushita）
最遥远的暗物质
在新的研究中，天文学家首先利用昴星团望远镜的观测数据，利用可见光识别出了约150万个透镜星系。望远镜看到的这些星系都是它们在约120亿年前的样貌。
接着，为了克服缺少更远、更古老的星系光的问题，研究人员使用了来自CMB的微波。利用普朗克卫星探测到的微波，研究人员测量了透镜星系周围的暗物质是如何扭曲微波的。
在初步分析后，研究人员探测到了迄今为止最遥远的围绕星系周围的暗物质。120亿年前的宇宙非常不同，那时正在形成的星系要比现在更多，第一批星系团也开始形成。星系团由100-1000个星系组成，也包含着大量的暗物质。
这个工作的最重要的一个发现与暗物质的聚集度有关。根据标准宇宙学模型，即ΛCDM模型，CMB的微小涨落都会导致物质在引力的作用下坍缩，并最终形成星系、恒星和行星，以及应该也会产生密集的暗物质。但新研究却发现，早期宇宙中的暗物质的聚集度似乎要比ΛCDM模型预测的要低。
值得一提的是，目前的结果仍然具有不确定性。如果进一步的研究证实了这一结论，就可能改变天文学家对星系演化的理解，同时也预示着在120亿年前，支配宇宙的基本规则可能会有所不同。未来，研究人员希望使用更先进的数据集，比如来自薇拉·鲁宾天文台的LSST的数据，以探索早期宇宙中的暗物质分布。
#创作团队：
撰文：不二北斗
排版：雯雯
#参考来源：
https://physics.aps.org/articles/v15/117
https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result-en/2022/08/20220802-01.html
#图片来源：
封面图&首图：Reiko Matsushita
