在尋找暗物質時，天文學家必須進行一種“幽靈搜尋”。那是因為暗物質是一種看不見的物質，不能被直接看到。然而，它構成了宇宙質量的大部分，並形成了星系形成的框架。暗物質是把星系和星系團聚集在一起的引力“膠水”。天文學家可以通過測量它的引力如何影響恆星和星系來間接地探測到它的存在。
這種神秘的物質與構成恆星、行星和人類的物質不同。這種物質是正常的重子物質，由電子、質子和中子組成。然而，暗物質可能是某種未知的亞原子粒子，與正常物質的相互作用很弱。
一個流行的理論認為暗物質粒子的移動速度不是很快，這使得它們更容易聚集在一起。根據這個理論，宇宙中暗物質的濃度範圍很廣，從小到大。
天文學家已經探測到暗物質聚集在大星系和中型星系周圍。現在，利用哈勃望遠鏡和一項新的觀測技術，天文學家發現暗物質形成的團塊比以前所知的要小得多。
研究人員通過測量來自遙遠類星體的光在太空中傳播時是如何受到影響的，在哈勃的數據中尋找暗物質的小濃度。類星體是非常遙遠的星系中明亮的黑洞驅動的核心。哈勃圖像顯示，來自這些類星體圖像的光線被巨大前景星系的引力扭曲和放大，這種效應被稱為引力透鏡效應。天文學家利用這種透鏡效應來探測小的暗物質團塊。這些團塊位於望遠鏡觀測到類星體的視線範圍內，以及前景透鏡星系的內部和周圍。
利用美國國家航空航天局的哈勃太空望遠鏡和一項新的觀測技術，天文學家發現暗物質形成的團塊比以前所知的要小得多。這個結果證實了被廣泛接受的“冷暗物質”理論的一個基本預測。
根據這個理論，所有的星系都形成並嵌入在暗物質雲中。暗物質本身由緩慢移動的或“冷”粒子組成，它們聚集在一起形成的結構，從質量是銀河系幾十萬倍的，到質量不超過商用飛機重量的團塊。(在這裡，“冷”指的是粒子的速度。)
哈勃的觀測使我們對暗物質的性質和它的活動方式有了新的認識。“我們對冷暗物質模型做了一個非常引人注目的觀察測試，它通過得非常好，”加州大學洛杉磯分校(UCLA)的Tommaso Treu說，他是觀察小組的成員之一。
暗物質是一種看不見的物質，它構成了宇宙的大部分質量，併為星系的形成提供了基礎。雖然天文學家看不見暗物質，但他們可以通過測量它的引力如何影響恆星和星系來間接地探測到它的存在。通過尋找嵌入的恆星來探測最小的暗物質結構可能是困難的或不可能的，因為它們包含的恆星很少。
雖然在大星系和中型星系周圍已經發現了暗物質的聚集，但是到目前為止還沒有發現更小的暗物質團塊。在缺乏觀測證據的情況下，一些研究人員提出了替代理論，包括“暖暗物質”。這一觀點表明暗物質粒子正在快速移動，速度太快，無法合併形成更小的濃度。新的觀測結果並不支持這一假設，發現暗物質比溫暖暗物質替代理論認為的“更冷”。
“暗物質比我們在小尺度上所知道的要冷，”位於加州帕薩迪納的NASA噴氣推進實驗室的Anna Nierenberg說。“天文學家以前已經對暗物質理論進行了其他的觀察性測試，但是我們的實驗為小塊冷暗物質的存在提供了迄今為止最有力的證據。”通過結合最新的理論預測、統計工具和新的哈勃觀測，我們現在得到了比以前可能得到的更可靠的結果。”
尋找缺乏恆星的暗物質是一項艱鉅的任務。然而，哈勃研究小組使用了一種技術，他們不需要尋找恆星作為暗物質示蹤劑的引力影響。研究小組瞄準了8個強大而遙遠的宇宙“街燈”，這些“街燈”被稱為類星體(活躍的黑洞周圍發出大量光的區域)。天文學家們測量了在每個類星體的黑洞軌道上運行的氧氣和氖氣體發出的光是如何被一個巨大的前景星系的引力扭曲的，這個星系就像一個放大鏡。
利用這種方法，研究小組發現了暗物質沿著望遠鏡的視線聚集到類星體，以及在中間的透鏡星系內部和周圍。哈勃探測到的暗物質濃度是銀河系暗物質暈質量的1/ 10000到1/ 100000倍。許多這些微小的星系群很可能甚至不包含小星系，因此用傳統的尋找嵌入恆星的方法是不可能探測到它們的。
8個類星體和星系排列得如此精確，以至於被稱為引力透鏡效應的翹曲效應產生了每個類星體的4張扭曲圖像。這種效果就像是在照鏡子。由於前景星系和背景類星體之間需要近乎精確的對齊，這樣的四倍類星體圖像是罕見的。然而，研究人員需要多幅圖像來進行更詳細的分析。
暗物質團塊的存在改變了每個扭曲的類星體圖像的表觀亮度和位置。天文學家將這些測量結果與類星體圖像在沒有暗物質影響的情況下的樣子進行了比較。研究人員利用這些測量數據來計算微小暗物質濃度的質量。為了分析數據，研究人員還開發了複雜的計算程序和密集的重建技術。
“想象一下，這八個星系中的每一個都是一個巨大的放大鏡，”加州大學洛杉磯分校的研究小組成員丹尼爾·吉爾曼解釋說。“小的暗物質團塊就像放大鏡上的小裂縫，改變了四張類星體圖像的亮度和位置，如果你看到的是光滑的玻璃，那麼你就能看到它們了。”
研究人員利用哈勃的廣角相機3號捕捉到每個類星體發出的近紅外光，並將其分散成不同的顏色，用光譜學進行研究。背景類星體獨特的發射物在紅外線下最容易被看到。“哈勃的太空觀測使我們能夠在星系系統中進行這些測量，而這些測量是用較低分辨率的地面望遠鏡無法實現的，而地球的大氣層對於我們需要觀測的紅外光是不透明的，”加州大學洛杉磯分校的研究小組成員Simon Birrer解釋說。
特魯補充說:“令人難以置信的是，經過近30年的運行，哈勃望遠鏡使我們能夠對基礎物理學和宇宙的本質進行前沿觀察，這是我們在發射哈勃望遠鏡時做夢也沒想到的。”
引力透鏡是通過篩選地面調查發現的，如斯隆數字天空調查和暗能量調查，它們提供了迄今為止最詳細的宇宙三維地圖。類星體距離地球約100億光年;前景星系，大約20億光年。
研究中發現的小結構的數量為暗物質的性質提供了更多的線索。尼倫伯格解釋說:“暗物質的粒子特性會影響形成多少塊。”“這意味著你可以通過計算小團塊的數量來了解暗物質的粒子物理學。”
然而，構成暗物質的粒子類型仍然是個謎。“目前，實驗室裡還沒有直接的證據表明暗物質粒子的存在，”Birrer說。“如果宇宙學家根據對暗物質影響的觀察，不說暗物質的存在，粒子物理學家甚至不會談論暗物質。當我們宇宙學家談論暗物質時，我們是在問，‘它是如何支配宇宙的外觀的，又是在什麼尺度上的?’”
天文學家將能夠使用未來的NASA太空望遠鏡，如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和廣域紅外探測望遠鏡(WFIRST)，對暗物質進行後續研究。韋伯將能夠有效地獲得所有已知的四透鏡類星體的這些測量數據。WFIRST望遠鏡的清晰度和大視場將有助於天文學家對整個空間區域進行觀測，這些區域受到大質量星系和星系團的巨大引力場的影響。這將有助於研究人員發現更多這樣的稀有系統。
研究小組將在夏威夷檀香山召開的美國天文學會第235屆會議上公佈他們的研究結果。
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