星系是宇宙中最壯麗的結構，它包含了大量的恒星、行星、氣體和塵埃。但除了這些可見的物質外，天文觀測還表明，絕大多數的星系實際上還被所謂的“暗物質暈”包圍。
暗物質是宇宙中最神秘的存在，盡管我們無法直接看見它，但通過一些巧妙的方法就能夠推斷出它的數量應當遠超普通物質。暗物質的存在對宇宙的演化至關重要。在一項最新的研究中，天文學家繪制了大約120億年前暗物質是如何分布在星系周圍的。他們的研究結果表明，暗物質的聚集度比理論預期的更低。
引力透鏡
我們知道，光速是有限的，因此星系發出的光在抵達地球之前，往往需要經歷漫長的時間。這就意味著當天文學家觀測到星系時，實際上看到的并非它們今天的樣子，而是它們過去的樣子。星系越遙遠，我們看到的星系就越古老。當然，觀測它們的難度也就越高。
但更有挑戰性的是觀測暗物質，因為暗物質本身并不發光。測量暗物質的經典方法會涉及兩個星系：前景星系(或透鏡星系)和背景星系(或源星系)。根據愛因斯坦的廣義相對論，前景星系的巨大引力會扭曲周圍的時空結構，所以當來自背景星系的光線在經過前景星系時，就會發生彎曲，就好像被光學透鏡所彎曲一樣。這就會導致背景星系的畸變和放大，這種效應被稱為引力透鏡。
當前景星系所包含的質量越大時，經過的光線也會彎曲得更嚴重，因此背景星系也會出現更嚴重的畸變。天文學家可以通過分析畸變的程度來估算出前景星系周圍的物質(包括暗物質)分布。
但如果天文學家想要觀測那些極其遙遠的星系時，就面臨著一個巨大的挑戰，因為那些星系實在是太暗淡了。所以當我們看得越遠時，這項技術的效果就越弱。因此，在過去，天文學家由于無法探測到足夠多的的遙遠背景星系來測量畸變，他們只能分析不超過80到100億年前的暗物質分布。這在很大程度上限制了我們對早期宇宙的真實結構的了解。
回到最初
為了克服這一障礙，最近一組天文學家改進了這一方法。他們沒有選擇兩個星系，而是選擇用一個不同的背景光源：宇宙微波背景(CMB)。
宇宙大爆炸發生于大約138億年前，自那之后，宇宙便一直在膨脹，變得越來越大，也變得越來越冷。在大爆炸后的約38萬年，宇宙已經冷卻到足以讓原子形成，使光子開始自由地傳播，形成了CMB輻射。今天，CMB輻射仍然彌漫于整個宇宙之中，但其波長早已被拉到微波波段。
就像來自遙遠星系發出的光源一樣，CMB也會被含有暗物質的星系扭曲。這就使研究人員能夠從宇宙誕生之初就開始測量暗物質的分布。
(圖/Reiko Matsushita)
最遙遠的暗物質
在新的研究中，天文學家首先利用昴星團望遠鏡的觀測數據，利用可見光識別出了約150萬個透鏡星系。望遠鏡看到的這些星系都是它們在約120億年前的樣貌。
接著，為了克服缺少更遠、更古老的星系光的問題，研究人員使用了來自CMB的微波。利用普朗克衛星探測到的微波，研究人員測量了透鏡星系周圍的暗物質是如何扭曲微波的。
在初步分析后，研究人員探測到了迄今為止最遙遠的圍繞星系周圍的暗物質。120億年前的宇宙非常不同，那時正在形成的星系要比現在更多，第一批星系團也開始形成。星系團由100-1000個星系組成，也包含著大量的暗物質。
這個工作的最重要的一個發現與暗物質的聚集度有關。根據標準宇宙學模型，即ΛCDM模型，CMB的微小漲落都會導致物質在引力的作用下坍縮，并最終形成星系、恒星和行星，以及應該也會產生密集的暗物質。但新研究卻發現，早期宇宙中的暗物質的聚集度似乎要比ΛCDM模型預測的要低。
值得一提的是，目前的結果仍然具有不確定性。如果進一步的研究證實了這一結論，就可能改變天文學家對星系演化的理解，同時也預示著在120億年前，支配宇宙的基本規則可能會有所不同。未來，研究人員希望使用更先進的數據集，比如來自薇拉·魯賓天文臺的LSST的數據，以探索早期宇宙中的暗物質分布。
