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原作：Brooks Mendenhall
翻译：钟艺
校译：吕梓欣
编排：刘斯媛
后台：朱宸宇
https://www.astronomy.com/science/new-dark-matter-map-shows-the-universe-in-detail/
科学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）制作出了有史以来最大、分辨率最高的暗物质地图，为宇宙的演化提供了新的线索。
一张全新的、利用JWST数据制作的的高精度地图，揭示了宇宙中不可见的暗物质结构。通过追踪引力对光线的弯曲，研究人员绘制出了暗物质所在的位置。等密度线显示了密度相同的区域，而蓝色部分标记了这片0.54平方度天空区域中暗物质浓度最高的区域。（图片来源：Gavin Leroy博士 / COSMOS-Webb合作团队）
借助这张全新的高精度的暗物质地图，科学家们对暗物质有了更清晰的认知，在这张地图中，不可见的暗物质无所遁形。这张地图利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在COSMOS-Web（宇宙网）巡天项目中获得的成像数据，绘制出了一片无缝覆盖0.54平方度天空区域的宇宙暗物质高精度分布图——这是同类地图中最大的一张。这张地图通过观测这种不可见物质对周围空间的扭曲绘制而成，其分辨率是之前地图的两倍，揭示了星系团、暗物质的纤维结构，甚至还有此前从未被发现的微弱星系群。该研究团队的成果已于1月26日发表在《自然·天文学》（Nature Astronomy）杂志上。
“这张出自COSMOS-Web项目的地图以前所未有的精度，展现了宇宙中暗物质的主体结构。”美国航天局喷气推进实验室（JPL）的宇宙学家、该研究共同第一作者Diana Scognamiglio告诉《天文学》（Astronomy）杂志，“它揭示了暗物质在星系团中聚集的位置、这些星系团之间的连接方式，以及大片空洞区域的分布情况。这是第一次在大面积范围内观测到宇宙网的精细结构，甚至还能探测到以往地图中未被发现的物质聚集区域。”
01
如何在黑暗中“看”见
根据目前被称为Lambda-CDM或ΛCDM模型的标准宇宙学模型，暗物质约占宇宙总物质的85%，是宇宙结构的支架。它的引力作用决定了普通物质的聚集位置，甚至能够维系其结构的稳定。正如杜伦大学宇宙学家、共同作者Richard Massey在一篇新闻稿中提到：“环绕银河系的暗物质旋涡云拥有足够的引力，借助它，我们的星系才得以凝聚在一起。如果没有暗物质，银河系将会自行解体。”
但暗物质既不发光也不吸收光线，因此无法用常规望远镜进行观测。为了定位暗物质，科学家使用了弱引力透镜（weak gravitational lensing）技术。当来自遥远天体的光线传播至地球途中经过质量源时，中间质量体的引力会使背景光发生偏折和放大，导致观测到的图像产生扭曲。这一现象就被称为弱引力透镜效应，其扭曲程度取决于中间质量的大小。
在强引力透镜效应中，光线会被显著弯曲，从而产生诸如弧形和环形等独特的现象。而在弱引力透镜效应中，扭曲的程度要小得多，仅造成图像的轻微形变。通过精确测量这种微小形变，科学家们即便完全看不见，也能推算出中间的物质。如果对整片天空各处天体的扭曲效应进行测量，比如背景星系的形状，就能绘制出不可见物质（即暗物质）的分布图。
一言以蔽之，测量出的背景星系越多，暗物质的分布图就越详细。
之前的暗物质地图主要依赖地面望远镜或哈勃太空望远镜的观测数据。受地球大气模糊效应的影响，地面望远镜所能观测到的天空分辨率有限，每平方角分（1平方度 = 3600平方角分）通常只能分辨出不到20个星系的形状。而如果从大气层上方借助哈勃望远镜进行观测，每平方角分能分辨出约71个星系。但这两种观测方法都远逊于JWST，JWST每平方角分能分辨约129个星系。
这组并排对比图展示了用哈勃望远镜（左）和JWST（右）绘制的暗物质分布情况。白色轮廓线表示暗物质的等密度区域，蓝色区域为暗物质浓度最高处。这两张图清楚地展示了JWST远超哈勃望远镜的分辨率和精确度。（图片来源：Gavin Leroy博士 / Richard Massey教授 / COSMOS-Webb合作团队）
02
桥梁与节点
这张新的JWST暗物质地图测量了约25万个星系，覆盖了0.54平方度天空区域。它展现了一个复杂的图像，其中包括星系团之间延伸的纤维状的“桥状”结构。这些暗物质纤维就像宇宙的骨骼，气体和星系沿着它们分布。该地图还发现了此前因距离太远或亮度太低而无法被其他望远镜观测的低质量星系群。
暗物质形成了宇宙的隐形框架，构成了庞大的宇宙网。在这张数字模拟图中，发亮的黄色区域是暗物质最密集的团块，星系和星系团就在其中形成。（图片来源：Ralf Kaehler / SLAC国家加速器实验室 / 美国自然历史博物馆）
“这些纤维就像一张巨型宇宙蜘蛛网上的蛛丝。网中的粗结是星系团，连接它们的丝线就是纤维。在ΛCDM模型中，暗物质在引力作用下坍缩形成这张网，而普通物质，如气体和星系，则沿着这些纤维分布。”Scognamiglio说道。
“这张地图是基于背景星系所推算出的天空中总质量分布的二维图像。它向我们展示了暗物质在空间中的分布情况。”Scognamiglio说道。根据ΛCDM模型，星系会在暗物质纤维上的“粗结”或节点处形成，而这张新地图似乎也证实了该模型对暗物质本质的其中一种关键预测。
03
建立新标准
这张地图前所未有的细节和分辨率，让我们得以一窥80–110亿年前，一个比之前所有的观测结果都要久远的时间，星系与暗物质纤维的演化过程。这有助于我们了解这些结构在宇宙恒星形成的高峰期的相互影响。
凭借如此清晰的观测结果，这张地图为未来所有理论和模拟设定了一个新的基准。“它让理论学家和观测者能够直接将宇宙学模拟的详细预测与真实数据进行对比，有助于检验模型对结构增长描述的准确度，并寻找可能暗示新物理现象的细微偏差。”Scognamiglio说道。
虽然这张新地图提供了前所未有的暗物质细节，但它仅覆盖了天空的一小部分。不过，正如Scognamiglio所说，这只是开始。
“虽然JWST只在相对较小的区域提供了超高分辨率的观测，但未来欧空局的欧几里得空间望远镜和美国航天局的南希·格雷丝·罗曼空间望远镜将会在更广阔的天空区域应用类似的弱引力透镜技术。”Scognamiglio指出，“这些项目的观测结果结合在一起将会组成一张覆盖宇宙广阔区域的暗物质分布图，届时我们将从详细的个案研究进入到对宇宙网真正的整体观测。”
责任编辑：DAIKIN
牧夫新媒体编辑部
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图片来源：NASA
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