科學家繪製史上最精細暗物質地圖

然而，要解開暗物質之謎，科學家首先必須知道：它在哪裡？

過去已有許多研究嘗試用不同方法描繪宇宙中的暗物質分布，而 1 月 26 日發表於《自然天文學》（Nature Astronomy）期刊的一項新研究，提供了迄今解析度最高的暗物質地圖。這項新成果仰賴詹姆斯．韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）的資料，並進一步支持科學家目前的理論：暗物質的重力將普通物質聚集成團，形成宇宙最早的結構。

韋伯望遠鏡最新的暗物質地圖顯示，暗物質（以藍色表示）就像隱形的骨架，支撐可見星系的形成。DR GAVIN LEROY/COSMOS-WEBB COLLABORATION

英國杜倫大學物理學家理查．馬西（Richard Massey）是本研究的共同作者之一，他表示：「暗物質就像重力的鷹架，其他所有物質都落入其中，並在上面形成星系。我們甚至能在這張地圖中直接看到這個過程正在進行。」

如果沒有暗物質，就沒有足夠的物質將星系以重力束縛在一起；而我們所居住、包含地球在內有數十億顆行星的銀河系，也不可能以現在的樣貌存在。

探索 COSMOS 天區

這張地圖呈現了天空中「COSMOS 天區」的部分區域，哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）及其他天文臺過去已深入研究這個區域。而新的韋伯地圖涵蓋了近 80 萬個星系，其中許多是首次被發現；但它實際覆蓋的天空範圍僅略大於滿月的 2.5 倍。

值得注意的是，大約在 20 年前，哈伯太空望遠鏡拍攝了 COSMOS 天區的詳細影像，這在當時對宇宙結構的理解具有突破性意義。如今，科學家手握韋伯望遠鏡更高解析度的資料，可以將新舊資料疊加比對，以驗證先前的分析，並發現宇宙基礎結構中的新特徵。

領導這項新研究的美國航太總署（NASA）噴射推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）宇宙學研究員黛安娜．史科納米里奧（Diana Scognamiglio）表示：「我們可以看到這些結構彼此對應，但現在能以更好、也更精細的細節來觀察，這真的令人驚艷。」

數十年前，研究人員根據哈伯太空望遠鏡的觀測資料，為同一片COSMOS 天區製作了暗物質地圖（左為哈伯，右為韋伯）。DR GAVIN LEROY/PROFESSOR RICHARD MASSEY/COSMOS-WEBB COLLABORATION

由於韋伯望遠鏡能觀測紅外光，因此得以看到形成於數十億年前、早期宇宙中的星系。這使科學家能推測暗物質結構「絲狀體」（filaments）的存在，這些絲狀體共同構成所謂的「宇宙網」（cosmic web），星系就像珠子一樣，沿著看不見的絲線排列。馬西說：「無論我們在什麼距離、大霹靂（Big Bang）後的哪個時期觀測暗物質，都能看到像串珠一樣排列的星系。」

科學家認為，在宇宙誕生之後，暗物質率先聚集，形成這樣的結構鷹架，而普通物質隨後才附著其上。韋伯望遠鏡所繪製的地圖進一步支持了這項觀點。馬西補充說：「只要有暗物質存在，它就會拉攏普通物質，使某個區域累積足夠的普通物質，進而形成恆星與行星。」

科學家如何建構這張暗物質地圖

為了在這片特定的天區中「間接」偵測大規模的暗物質分布，科學家採用了一種稱為「重力透鏡」（gravitational lensing）的技術。

像星系或星系團這樣質量龐大的宇宙天體，會使來自更遙遠天體的光線發生彎曲，因而呈現出扭曲的影像。在稱為「強重力透鏡」（strong lensing）的現象中，遠方天體的光會變得更亮，看起來像是被放大，甚至環繞前景天體彎曲成環狀結構。然而，在這項研究中，研究人員關注的是更為細微的「弱重力透鏡」（weak lensing）效應。在這種情況下，星系的形狀會因暗物質擾亂光線的行進路徑，而出現極其輕微的扭曲或位移。為了計算造成這種弱透鏡效應的暗物質數量，必須分析大量星系的觀測資料。

「星系──或任何我們正在觀測的天體──會被彎曲成具有某些特徵的形狀，就像是哈哈鏡，或是透過廚房或浴室的玻璃窗觀看那樣。」馬西表示：「我們正是透過分析這些背景星系形狀被扭曲的程度，來推算暗物質的數量。」

由哈伯（左）與韋伯（右）所繪製的 COSMOS 天區暗物質地圖。疊加的等高線標示出暗物質密度相同的區域。DR GAVIN LEROY/PROFESSOR RICHARD MASSEY/COSMOS-WEBB COLLABORATION

馬西表示，以這種方式間接測量暗物質，就好比觀察樹木，並從樹葉與樹枝的擺動推斷風的存在。當需要計算數十萬個星系中極其細微的變化時，這絕非易事。研究團隊使用韋伯太空望遠鏡，對同一片天空進行了 255 小時的觀測，這是該望遠鏡自 2022 年展開科學任務以來，第一年內規模最大的巡天觀測。

不只是這張地圖

然而，這張地圖本身只是起點。未參與本研究的卡內基美隆大學物理學家瑞秋．曼德爾鮑姆（Rachel Mandelbaum）表示，她期待未來能從這張地圖延伸得到更多研究成果，包括分析特定類型星系與其所含暗物質量之間的關係、星系的分布方式，以及對「星系空洞」（galactic voids）──也就是星系數量低於平均值的區域——有更深入的理解。

她表示，這類分析將「幫助我們回答關於宇宙的基本問題，包括物質如何分布，以及星系如何演化」。

這張韋伯暗物質地圖的問世，正值探索「黑暗宇宙」的黃金時代開端。歐洲太空總署（ESA）於 2023 年發射的歐幾里得（Euclid）望遠鏡，以及預計於今年秋季升空的美國航太總署南希．葛蕾絲．羅曼太空望遠鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope），將在更廣闊的天空範圍內，提供與韋伯互補的暗物質觀測資料。這兩座望遠鏡皆為大尺度巡天而設計，而韋伯則專注於較小的天空區域，以提供更高細節的觀測。此外，位於智利的新啟用維拉．魯賓天文臺（Vera C. Rubin Observatory），已於 2025 年 6 月釋出首批影像，未來也將提供星系與暗物質的地圖，進一步深化我們對此一謎團的科學理解。

共同領導這項研究的杜倫大學研究員蓋文．勒羅伊（Gavin Leroy）表示，這張地圖是「未來暗物質研究發展的關鍵第一步」。

目前，科學家正著手製作新版韋伯暗物質地圖的三維版本。結合其他天文臺的大尺度巡天資料後，研究人員將能更進一步鎖定暗物質本身的性質。例如，暗物質究竟是由質量大、移動緩慢、科學家稱為「冷暗物質」的粒子所構成，還是由質量較小、移動較快的「溫暗物質」粒子所組成？

史科納米里奧表示：「我希望人們能將這項成果視為其他研究的基礎，並結合來自其他望遠鏡的資料加以延伸，用於宇宙學研究，進而真正理解暗物質究竟是什麼。」

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