科學家們調查了120億年前的星系周圍暗物質的性質，這些星系比以往任何時候都更久遠。他們的發現提供了一種誘人的可能性，即在研究我們宇宙的早期歷史時宇宙學的基本規則可能有所不同。這項合作由日本名古屋大學的科學家領導，研究結果已於日前發表在《Physical Review Letters》上。
看到這麼久之前發生的事情是具有挑戰性的。由於光速是有限的，我們看到的遙遠的星系不是它們今天的樣子，而是它們在數十億年前的樣子。但更困難的是觀察暗物質–因為它不發光。
考慮一個遙遠的源星系，甚至比目標星系更遠，而我們想研究的是目標星系的暗物質。正如愛因斯坦的廣義相對論所預測的那樣，前景星系的引力–包括其暗物質–扭曲了周圍的空間和時間。當來自源星系的光穿過這種扭曲的時空時，它就會彎曲並改變星系的表面形狀。暗物質的數量越多，產生的扭曲就越大。因此，天文學家可以從扭曲中測量前景星系周圍暗物質的數量。
然而超過一定的閾值，科學家就會遇到一個問題。在宇宙的最深處，星系是非常微弱的。因此，我們看的離地球越遠，引力透鏡技術的效果就越差。因為透鏡的扭曲很微妙，在大多數情況下很難發現，所以需要許多背景星系來檢測信號。
以前的大多數研究都停留在相同的極限。由於無法探測到足夠遙遠的源星系來測量失真，他們只能分析不超過80-100億年前的暗物質。這些限制使得從這個時間到137億年前，也就是我們的宇宙開始前後的暗物質的分佈問題沒有得到解決。
為了克服這些挑戰，從宇宙的最遠處觀察暗物質，由名古屋大學的Hironao Miyatake領導的研究小組跟東京大學、日本國家天文台和普林斯頓大學合作使用了不同的背景光源，即大爆炸本身釋放的微波。
首先，該小組通過利用斯巴魯超級超光速相機調查(HSC)的觀測數據，利用可見光確定了150萬個透鏡星系，這些星系被選為120億年前的星系。
接下來，為了克服更遠處的星系光的缺乏，他們採用了來自宇宙微波背景(CMB)的微波，即大爆炸的輻射殘留物。通過利用ESA普朗克衛星觀測到的微波，該小組測量了透鏡星系周圍的暗物質是如何扭曲微波的。
“看看遙遠星系周圍的暗物質？”東京大學的Masami Ouchi教授問道，“這是個瘋狂的想法。沒有人意識到我們可以做到這一點。但在我做了一個關於大型遙遠星系樣本的演講之後，Hironao來找我，說也許可以用CMB來觀察這些星系周圍的暗物質。”
“大多數研究人員使用源星系來測量從現在到80億年前的暗物質分佈，”東京大學宇宙射線研究所的Yuichi Harikane助理教授補充道，“然而，我們可以進一步追溯到過去，因為我們使用更遙遠的CMB來測量暗物質。這是第一次，我們幾乎是從宇宙的最早時刻開始測量暗物質。”
經過初步分析，科學家們很快意識到，他們有足夠大的樣本來探測暗物質的分佈。結合大型遙遠星系樣本和CMB的透鏡扭曲，他們檢測到暗物質的時間甚至更久遠–從120億年前開始。由於這僅僅是宇宙開始后的17億年，所以這些星系在首次形成后不久就會被看到。
“我很高興我們為那個時代打開了一扇新的窗口，”Miyatake說道，“120億年前，事情是非常不同的。跟目前相比，你看到更多正在形成過程中的星系；第一個星系團也開始形成。星系團由100-1000個被引力束縛的星系和大量的暗物質組成。”
來自普林斯頓大學的尤金-希金斯天文學教授、天體物理科學教授和本科生研究主任Neta Bahcall指出：“這一結果給出了一幅非常一致的星系及其演化圖景及星系內和周圍的暗物質以及這一圖景如何隨着時間的推移而演變。”
這項研究中最令人興奮的發現之一是跟暗物質的團聚性有關。根據宇宙學的標準理論，即Lambda-CDM模型，CMB的微妙波動通過引力吸引周圍的物質而形成密集的物質池。這產生了不均勻的團塊，在這些密集的區域形成了恆星和星系。該小組的研究結果表明，他們對團塊的測量低於Lambda-CDM模型的預測。
Miyatake對這種可能性充滿熱情。“我們的發現仍是不確定的。但如果它是真的，它將表明，當你進一步回到過去時，整個模型是有缺陷的。這是令人興奮的，因為如果在不確定因素減少后，這個結果仍成立，它可能暗示着對模型的改進，並可能會使人們了解暗物質本身的性質。”
“在這一點上，我們將嘗試獲得更好的數據以看看Lambda-CDM模型是否真的能夠解釋我們在宇宙中的觀察結果，”普林斯頓大學的副研究學者Andrés Plazas Malagón說道，“其結果可能是我們需要重新審視這個模型中的假設。”
“使用大規模的調查來觀察宇宙，如這項研究中使用的調查，其優勢之一是你可以研究你在所得到的圖像中看到的一切，從我們太陽系中的附近小行星到早期宇宙中最遙遠的星系，”來自普林斯頓大學的天體物理學系教授兼系主任Michael Strauss表示，“你可以使用同樣的數據來探索很多新問題。”
這項研究使用了現有望遠鏡提供的數據，包括普朗克和斯巴魯。該小組只審查了1/3的斯巴魯超級超微鏡調查數據。下一步他們將分析整個數據集，這將使他們能夠對暗物質分佈進行更精確的測量。在未來，該團隊期望使用像維拉-C-魯賓天文台的空間和時間遺留調查(LSST)這樣的先進數據集來探索更多最早的空間部分。“LSST將使我們能夠觀察到一半的天空。我看不出有什麼理由我們接下來不能看到130億年前的暗物質分佈，”Harikane說道。