暗物质 引力 宇宙学 天体物理学

《世界报》2000年3月17日星期五文章转载

如果暗物质能够使光线发生偏折，那就说明它确实存在。

遥远星系图像的扭曲现象，证明了存在大量不可见的庞大物体。多年来，天文学家一直在努力探测暗物质（占宇宙物质总量的90%）。为了揭示这种无法被望远镜观测到的物质的本质，人们提出了多种假说：可能是大质量天体（如棕矮星），也可能是基本粒子（如中微子）。但这些假说都未能完全解释观测结果。因此，科学家推测，这种物质可能由尚未发现的理论粒子构成。天文学家们明确指出：宇宙中90%的物质都逃过了望远镜的探测。在照片上仅能看见星系以及构成它们的数十亿颗恒星，点缀天空的暗星云或亮星云，以及一些巨大的能量爆发，其产生机制至今仍未完全被理解……。得益于技术进步，红外线、紫外线、X射线和伽马射线等新的观测窗口相继开启。最近，天文学家还进入了中微子天文学领域——这些难以捉摸的粒子可能对宇宙的总质量有显著贡献。……然而，理论学家们深知，即便如此，宇宙的绝大部分仍对天文学界保持神秘，而他们只能依赖有限的10%的观测数据。正因如此，多年来，他们一直致力于探测这一宇宙中至关重要的组成部分——暗物质。巴黎天体物理研究所的一支研究团队，联合法国的天文学家（法国原子能委员会萨克雷中心、加拿大-法国-夏威夷望远镜CFHT、马赛空间天文学实验室）以及来自加拿大、德国和美国的国际同行，刚刚为这一神秘世界打开了一扇新的窗口。就在他们之前，由剑桥大学和加州理工学院的理查德·埃利斯领导的英国团队，以及由泰森（贝尔实验室，新泽西）领导的美国团队，也分别独立证实了部分相关结果。

研究人员是如何突破“不可见”的障碍，并证实暗物质存在的呢？他们利用了一个原理：当光线经过巨大质量物体（如太阳或星系团）附近时，会因引力作用而发生弯曲。这一假说已被多次验证。但天文学家们开始思考：如果暗物质确实存在，且其密度很低但数量庞大，是否也会产生同样的效应？如果答案是肯定的，那么这种暗物质虽不可见，却会通过其引力效应暴露自身。这被称为“宇宙级散光效应”。
“1991年，巴黎天体物理研究所的扬尼克·梅利耶解释道，理论预测，由于暗物质大质量结构的存在，遥远星系的光线在传播途中会受到轻微扭曲，导致其影像呈现拉长的椭圆形状。但根据计算，这种‘宇宙散光’效应极其微弱，几乎不可能被探测到。”此外，当时研究人员既缺乏用于验证测量结果的理论模型，也缺少足够灵敏的相机来实现观测。
此后，加拿大研制出CFH 12K相机，而加拿大籍科学家卢多维克·范瓦尔贝克则开发出适用于该研究项目的专用数据处理工具。经过五年时间对CFHT拍摄的约20万张遥远星系图像进行分析，研究团队终于取得了突破。如今，在经过适当处理的CFHT深空图像中，出现了数百个淡绿色的小椭圆，它们正是一个个遥远的星系。……那么，我们是否可以据此断定，这种现象确实是由星系发出的光线受到引力影响所致？“毫无疑问，”扬尼克·梅利耶回答道，“如果光线传播路径上没有物质（即无引力效应），即使是椭圆星系也会呈现为小圆点。而一旦存在引力，照片上就会布满这些微小的椭圆。此外，引力效应还倾向于使这些星系按特定方式排列，就像磁铁引导铁屑沿着磁场线排列一样。”

这些难以察觉的图像扭曲，以及星系的重新组织，证实了光线在传播过程中被某种弥漫而不可见的物质丝状结构所偏折。这种物质密度很低（与太阳或星系团的密度截然不同），但由于其分布范围极为广阔——横跨1亿到10亿秒差距（1秒差距约等于3.36光年）——其效应依然可以被探测到。相比之下，我们银河系的最大直径仅为3.4万秒差距。……法国研究团队利用计算机重建的三维模型令人震撼：在光线抵达地球的漫长旅途中，每当经过这些丝状结构时，其传播方向都会不断发生改变。这些结构如同宇宙空间中的一块“瑞士奶酪”，记录着宇宙的演化历史，并揭示了其诞生之初的条件。因为暗物质的本质与我们所知的普通物质（重子物质）完全不同。根据理论推测，它可能由尚未发现的粒子构成——如弱相互作用大质量粒子（WIMPs）、轴子、超对称粒子等。……一扇新的大门刚刚开启，天文学家们正准备蜂拥而入。不久之后，CFHT将启用一台四倍于现有相机的新型设备——由萨克雷原子能委员会研发的“梅加相机”（MegaCam），预计两年内投入使用。在更遥远的未来，人们还计划部署一个由上百台直径一米的望远镜组成的网络，并发射一颗名为“SNAPSAT”的美国卫星，专门用于观测超新星爆发，同时也具备探测暗物质效应的能力。

让-弗朗索瓦·奥热罗