暗物質到底在哪裡？

傳說中「子彈星系團」的 X 光(粉色)與弱重力透鏡效應(藍色)的合成圖片 來源

暗物質無處不在，它現在就在你的房間里。它比全天候的「監視」更為稀薄，比空氣更透明，比光更無孔不入。或許我們從來沒意識到過身邊的暗物質(unless you are stoned or tripping)，但它就在那裡。

雖然暗物質不可見，但我們已經知道周圍有多少暗物質，它們都處在哪裡了。宇宙微波背景測量顯示，宇宙質量的80%都是由暗物質組成的，但這並沒有告訴我們暗物質在宇宙中的分布狀況。從理論思考的角度，科學家猜測宇宙中的一些區域——例如宇宙巨洞(Cosmic Voids)——可能有很少或者根本沒有暗物質，而各星系的中心暗物質的密度則更高。不過即便如此，還是難以確定暗物質分布的細節。

宇宙微波背景圖

不同於普通物質，我們不能通過光來看到它，因為暗物質本身不反射光也不釋放光。天文學家只能通過暗物質的重力效應來繪製它們的分布。這在星系中密度較高的區域尤為困難，這些區域充滿了大量氣體，星體和其它物質，它們的存在模糊了暗物質的分布特徵。就算是在銀河系的「郊區」或星系際空間，暗物質對所有形式的光透明的屬性也讓精確定位成了難題。

儘管有大量不利因素，天文學家們仍然取得了進展。雖然單獨的一個星系或許是混亂無規律的，但分析大量的星系則能生成出宇宙的「重力地圖」。科學家們同樣希望能克服星系中的混亂狀態，通過謹慎觀察星體與氣體雲的運動而估算出暗物質在星系中央的比重。

另外一條誘人的線索是：銀河系中心的暗物質在湮滅時會釋放出信號形式的暗物質粒子。如果被其它觀察證實，研究者就可以避免麻煩的重力因素而推導出暗物質的諸多屬性。

暗物質簡史

上世紀30年代，瑞士天文學家弗里茨·茲威基測量了后髮座星系團的運動。根據簡單的引力計算，他發現星系團的移動軌跡不應該是觀測到的那樣——除非星系內包含了很多看不見的大質量物質。實際上，弗里茨·茨威基估算的物質質量遠遠大過了實際情況。不過從整體情況上來看他是正確的：星系團中超過80%的質量並非原子形式。

在弗里茨的時代，他的研究並未引起學界的注意，但美國天文學家薇拉·魯賓之後關於星系自轉速度的研究則不一樣。她發現就星體本身和星系間氣體的質量加起來根本無法解釋她測量到的星系自轉速度。在薇拉的研究和隨後的測量之間，天文學家們建立起一個理論：每一個螺旋星系都被一種環形光環狀的物質所吞沒——這種物質對任何形式的光都是透明的。

子彈狀星系團

子彈星系團(Bullet Cluster)在天文學研究中十分重要。它在2006年被首次描述。子彈星系團實際上是兩個正在碰撞的星系團：研究者們用可見的 X 光將它繪製出之後才發現該星系團實際又一對星系團組成，而它是證明暗物質存在的最好證據。

星系團是已知宇宙中最大的獨立個體。星系團中可包含成千上萬個由彼此引力牽制的星系。然而，比起星系內的星體，氣體和星塵，質量更大的是星系間一種溫度極高的氣體等離子云，而等離子云在 X 光環境下會發出明亮的光。在子彈星系團中，兩個星系團的碰撞引發了等離子云衝擊波。

而前文所說到的「弱引力透鏡效應」——指從遙遠背景星系發出的光被前景星系輕微扭曲之後產生的一種形變效應——則被用與繪製子彈星系團中質量的分布狀況。不同於強引力透鏡效應，弱引力透鏡效應不會產生諸如愛因斯坦十字或是弧形扭曲這樣的圖像，它只會輕微扭曲來自背景星系的光。

成像後被發現的等離子衝擊波代表著子彈星系團中質量最大的一部分，它與星系相分離，處於兩個星系團之間，這讓獨立測量暗物質質量與分布有了可能。而成像結果還證實了之前一些關於暗物質行為的假設。多虧了碰撞產生的波，等離子得以留在兩個星系團之間，而暗物質這種不會與暗物質或任何物質相互作用的存在則直接，悄無聲息地融入到了對方星系團中。

這是一個現象級的發現，但被觀測的僅有一個(或兩個)星系團。科學是需要大量證據的，單獨一個案例無法反映出宇宙中無數的可能性，我們想要知道暗物質是否總在星系周圍群聚還是說它們分布的範圍更廣。我們想知道所有的暗物質在哪裡，不僅是銀河系，不僅是子彈星系團，是整個宇宙範圍。

上圖顯示的是一片天空中用等高線表示的弱引力透鏡效應，右邊小圖展示的是星體，星系和熱氣體所產生的引力透鏡效應。

暗物質普查

弱引力透鏡效應為在星系團(或更大或更小的結構)中搜尋暗物質提供了一種方法。普林斯頓大學的天文學家 Neta Bahcall 和 Andrea Kulier 為132,473個星系群及星系團進行了一次「弱引力透鏡普查」，被調查的形體結構都在同一片固定的天空里，但總體範圍達到了銀河系的規模(「星系群」是星系的一種集群；比如說，銀河系是在本星系群中是第二大的星系，僅次於仙女座星系)。一個單獨的星系團不能提供給我們太多信息，但超過十萬個總是具有一點普遍性了吧！弱引力透鏡在單個星系團中表現並不明顯，但在十萬級的數量上就很明顯了。

比方說，在星系研究中一個重要的參數是質光比(mass-to-light ratio)。為了得到準確的質光比數據，Bahcall 和 Kulier 研究了從星系團中心向外部擴散的光和弱引力透鏡效應累計值，發現一件有趣的事：質量與光一前一後地相互升高，最後共同趨向平穩。這意味著光與暗物質之間，誰也不必誰延伸得遠，它們是大致並行的：這些星系群和星系團內的星體是極好的暗物質追蹤者，但奇怪的是，星體占整個星系團的質量比重還不足2%。

Kulier 表示，「一個星系群或星系團內暗物質的總量可能全都在組成它們的星系的光暈(星系暈)中」。雖然細節上可能有所差別，但這是一個比較平均的結果。當星系聚集起來組成一個星系團時，作用在星系與星系內的星體上的強大力量在理論上可以將星系與內部的暗物質分離開，但由於相互之間的引力牽制，它們仍然共存在一個星系團內。

Kulier 指出，普查的結果為星系團內暗物質的等級模型結構提供了強有力的證據：「較小的星系集群比大的坍縮得更早，所以像星系這樣的集群先形成，再併入為大的星系集群如星系團中」。子彈星系團就是一個典型的例子，但暗物質可能在星系合併後停留在星系團中央，脫離它原來的星系和光暈。

星系暈與暗物質

上圖為計算機重現的弱引力透鏡如何影響背景星系成像的效果圖

歷史上來講，暗物質的推測和概念是來自對螺旋星系的研究的。但是，指出其存在是一回事，繪製出它的具體分布又是另一回事了——尤其是在緻密的星系內部。

螺旋星系有三個基本組成部分：星系盤(disk)，核球(bulge)，星系暈。星系盤厚度較薄，包含有旋臂以及一些年輕而明亮的恆星。核球處在螺旋星系中心，密度大，星系內的老年恆心通常在核球區域，而在核球最中心點有一個特大質量黑洞(supermassive black hole)。星系暈處在星系周圍，結構稀疏，零星散布著少量恆星。星系暈的半徑很大，暈可以延伸到星系盤之外很遠的地方。舉個例子，銀河系的星系盤直徑大約為100,000光年，而星系暈的直徑則在300,000-1,000,000光年之間。

根據星系暈的誇張直徑來看，星系內大部分暗物質都分布在星系暈上，很少一部分在星系盤上。來自哈佛大學的 Jo Bovy 與 Scott Tremaine 發現(銀河系)星系盤與星系暈區域，一立方光年裡所包含的質量還不到100個地球重——雖然100個地球聽起來可不是什麼輕量級，不過在星系級別上的比較，地球一點也不重，並且一立方光年可是個跨度很大的區域。這個質量不足以強烈影響星系中央太陽的軌道。

相比之下，越往星系內部走，暗物質含量越高，所以在核球里密度應該是最大的。因為這個原因，一些天文學家希望找出在銀河系中心暗物質湮滅的跡象，因為根據一些模型，暗物質湮滅時會釋放出伽瑪射線。今年冬天(年初)，費米實驗室研究者稱可能觀測到來自銀河系中心有過量的伽瑪射線。但核球附近恆星的密度也相當大，所以不能確定探測到的射線來自湮滅的暗物質。

一個樂觀的結論

那麼暗物質到底在哪裡呢？根據前文所提到的兩種理論與觀察，最有可能性的還是在星系暈上。越來越多的弱引力透鏡效應研究即將被開展，這些研究將為暗物質的分布細節揭開神秘面紗。「蓋亞計劃」目前正在繪製百億顆恆星及其運動軌跡的三維地圖，這個項目將能提供銀河系和環繞周圍的衛星的信息。屆時，與弱引力透鏡效應相結合，科學家們將能在之前難以觀測的區域研究暗物質分布。