宇宙中「看不見」的星系究竟有多少？
設立在南美洲智利境內海拔超過5000米的阿塔卡馬沙漠之中，ALMA是「阿塔卡馬毫米/亞毫米波陣列」的英文縮寫，這是一座由66面射電天線組成的龐大陣列
亞沙·赫薩維(Yashar-Hezaveh)此前就已經聽到了一些傳言。而現在，他走進一間小屋子，在第二排一個座位上坐下來，他想證實自己聽到的那些傳言是否是真的。
120億光年外的模糊星系
赫薩維是一名天文學家。這是2015年1月份的一個普通的日子，寒冷而陰沉。美國華盛頓州西雅圖，天文學家們正準備出席一個屬於世界上規模最大之一的天文學會議。他們都很想看看新的ALMA望遠鏡拍攝的第一張照片效果如何。
ALMA是「阿塔卡馬毫米/亞毫米波陣列」的英文縮寫，這是一座由66面射電天線組成的龐大陣列，設立在南美洲智利境內海拔超過5000米的阿塔卡馬沙漠之中。
這一巨型陣列拍攝的最早一批照片將顯示其觀測能力。赫薩維聽說，在該設備最初拍攝的一批高解析度圖像中，將包括一個編號為SDP81的星系，這是一個距離地球約120億光年的遙遠星系，此前在2010年，由赫歇爾空間望遠鏡的圖像中，它看上去只不過是一團模糊的光點。
赫薩維是一位美國斯坦福大學的研究人員，他急切想要知道的是這首批圖像的拍攝質量。多年以來，他一直在利用計算機模型方法模擬類似SDP81這樣的星系在ALMA望遠鏡的圖像中可能會呈現的模樣。現在，他很想知道自己長期以來所做的模擬是否是準確的。
如果事實證明他們的模擬結果是準確的，那麼接下來他們就有的忙了。天文學家們正致力於尋找那些類似SDP81這樣隱藏在照片之中不容易被注意到的矮星系。矮星系常常是容易被忽略的，幾乎是無法被觀測到的。
但儘管如此，它們的質量產生的引力作用仍然會留下蛛絲馬跡。加州大學洛杉磯分校的天文學家托馬索·特魯(Tommaso-Treu)指出：「我們無法觀測到這些矮星系，但由於引力的緣故，我們知道它們在那裡——這聽上去真的很酷！」
了解這樣的矮星系究竟是否的確存在，以及如果它們的確存在，那麼它們的數量有多少？這些對於解決一個宇宙學中的重大問題都至關重要，那就是：究竟是什麼物質組成了我們所在的宇宙？
同樣將要面臨嚴峻考驗的還包括目前我們所擁有的關於宇宙形成的最佳理論。儘管已經有了數十年來的巨大成功，該理論仍然存在一些缺陷。而這些問題的答案可能就與宇宙中隱藏的矮星系有關。
ALMA望遠鏡拍攝的SDP81星系圖像，這是一個距離地球約120億光年的遙遠星系，此前在2010年，由赫歇爾空間望遠鏡的圖像中，它看上去只不過是一團模糊的光點
衛星星系
當你想到星系的時候，你的腦海中顯現的畫面可能是類似我們銀河系這樣的星系景象：一個巨大的旋渦狀圓盤，其中包含數以千億計的恆星，就像一座宇宙大風車。但矮星系有所不同，相比之下它們更小，也更加暗淡，有些甚至只包含有稀稀拉拉很少數量的恆星。
天文學家們認為很多矮行星可能是孤獨漂浮在宇宙空間之中的，但也有很大一部分矮行星隱藏在大型星系的周圍區域，圍繞大型星系公轉，成為後者的所謂「衛星星系」，就像衛星圍繞行星公轉，行星圍繞恆星公轉那樣。
比如說銀河系的周圍，根據目前的觀測，就已經確認有超過50個的此類矮星系。這些衛星星系相比銀河系而言顯得非常渺小，其質量比銀河系一般要小1萬倍以上，其中有些矮行星中甚至只含有數千顆的恆星。
就像在所有其他星系中一樣，恆星都是被暗物質包裹著的，後者是構成宇宙超過1/4強的神秘物質，我們目前對於其性質與本質幾乎仍然是一無所知。暗物質構成了矮行星質量的絕大部分，提供了維持矮星系穩定存在的「引力膠水」。
銀河系最大的兩個衛星星系分別是大麥哲倫星系和小麥哲倫星系，它們兩個在南半球使用肉眼就能清晰看到。而其他的衛星星系則顯得非常暗淡，只能用望遠鏡進行觀察。
到20世紀中葉的時候，天文學家們已經在銀河系周圍發現了超過10個衛星星系，但其餘絕大部分的衛星星系仍然一直沒有被發現，直到最近10年才有較大的改觀，因為現代化巡天計劃的執行大大提升了衛星星系的發現效率。
仙女座大星系和它的兩個較大型的衛星星系
衛星星系失蹤之謎
這是一項重要的進展，因為在1990年代晚期，當時天文學家們陷入了一場危機。因為在計算機模擬得到的衛星星系理論數量以及實際觀測到的衛星星係數量之間存在著顯著的不對應性。當時科學家們一共在銀河系周圍發現了十幾個衛星星系，但這與根據天文學家們引以為豪的宇宙學理論：冷暗物質模型(CDM)得到的理論結果相差甚遠。
該理論認為暗物質是「冷的」：意思是暗物質粒子在宇宙中運行的速度是慢的(當然這裡說的慢是相對光速而言的)。正是因為在早期宇宙時期這些粒子並沒有做高速運動，因此這些粒子相互之間的引力作用能夠使他們聚集成為體積較小密度較大的團塊。
這些質量團塊產生的引力作用吸引周邊的氣體物質並最終導致了恆星的產生，由此終於形成一個矮星系。隨著時間推移，這些矮行星之間有時候會相互合并，最終形成了類似銀河系這樣的大型星系。
詹姆斯·巴洛克(James-Bullock)是美國加州大學爾灣分校的天體物理學家，他說：「冷暗物質模型本質上指明了這樣一個原則，那就是規模較小的結構會先形成，隨後通過相互合并來形成規模更大的結構或者天體。」
如果這一觀點是正確的，你將看到的宇宙中就應該存在很多規模較小的團塊結構，相比之下質量較大的團塊結構就要少得多。事實上，這類團塊的質量越小，它們的數量就應該越多。
到目前為止，該理論在對大質量團塊的數量和質量預測上非常成功，這裡所謂的大質量團塊通常來說指的就是大型星系和星系團。但天文學家們目前還需要對該理論在小型星系或者矮星系方面應用的準確性進行檢驗。
更為重要的是，這一理論如果是正確的，那就意味著在一些大型星系，比如銀河系的周圍空間里可能存在著數以千計，甚至數十萬的矮行星正在圍繞大型星系公轉。當然對於那些遙遠的大型星系來說，圍繞它們運行的可能存在的矮星系就會顯得太遠太暗，因此難以使用望遠鏡觀測到。
但即便是圍繞銀河系周圍空間，天文學家們目前也只找到了數量相對來說非常少的衛星星系，這種理論與實際觀測之間的明顯不符合情況被稱作「衛星星系失蹤之謎」。
銀河系及其周圍目前已知的一部分衛星星系分布示意圖
檢驗冷暗物質模型
在過去的20年間，這種觀測與理論之間的隔閡相對減輕了，因為觀測已經發現了數量更多的衛星星系。但儘管這一問題已經有所緩解，但它並未消失。
特魯指出：「一些人在說：問題解決了。我們不需要對此感到擔憂，那些衛星星系是存在的，問題只不過在於怎麼找到它們。」他說：「但我們現在面臨的問題就在於：我們還沒能找到理論上應該可以找到的那數以千計，甚至數以十萬計的衛星星系。」
如果衛星星系被證明是不存在的，那麼CDM理論模型將被證明是錯誤的，或者至少可以說是不完備的。巴洛克表示：「這也就是為何進行這樣的預測是如此的意義重大，為何努力找到那些衛星星系如此重要——實際上你正在對冷暗物質模型進行一場檢驗。」
當然還有另外一種可能性，並且這種可能性並不需要推翻或者改變CDM模型。簡單來說就是：衛星星系的確存在，但是其中包含的恆星太少了以至於無法被觀測到。畢竟這一理論本質上預言存在的也就不過是一些非常暗淡，規模很小，甚至不包含恆星的物質團塊，稱為「子暈」(subhalos)。
這也就是說，矮星系原本只應該是簡單的子暈團塊而已，其中可能會有少數的恆星形成。但至於其中會有多少恆星形成——如果有的話，則又是另外一個複雜的問題了。
檢驗CDM模型這一預測的最直接方法之一就是直接對這些團塊結構進行觀察，不管它們內部有沒有恆星。但這樣做的唯一途徑就是對其質量對周邊環境產生的引力效應進行觀測。
舉例而言，在銀河系周圍，如果觀察到從一個衛星星系中被拉出的一串細細的恆星星流結構，這可能就暗示在其附近存在一個子暈團塊，或者說衛星星系。但這樣的星流結構是如此罕見而昏暗，非常難以觀察。
為了更好地限定子暈和矮星系的存在，天文學家們必須嘗試在其他星系的附近搜尋它們的蹤跡。赫薩維表示，在這樣的情況下，唯一可能的方法就是觀察它們的引力場可能對光線傳播造成的扭曲，從而間接推斷其存在。
引力透鏡成因示意圖：後方背景星系的光線被前景大質量星系引力場彎曲，效果就像經過了一個凸透鏡
引力透鏡效應
回到我們故事的開端：但經過一段時間的等待之後，赫薩維和其他天文學家們終於看到了ALMA陣列拍攝的最初一批圖像。正如傳言所言的那樣，ALMA的確拍攝到了SDP81的圖像，可以觀察到從這個星系變成了兩個明亮的光弧，就像火焰。
很顯然，來自這個星系的光線被一個距離地球更近，因而位於我們觀察視線前景位置的星系的引力場扭曲了。就像一個巨大的凸透鏡，前景星系的引力場效應增強了SDP81星系的亮度，將它的形狀扭曲成弧形，並且在這一特定情況下，將其影像撕裂，一分為二。
此次拍攝到的新圖像的解析度與赫薩維在計算機模擬中得到的一樣好。他回憶道：「那真是妙極了！對我來說，那真是一個激動人心的時刻。」
在發布會上，這張圖像只是展示了幾秒鐘的時間，剛好夠赫薩維抓拍一張照片。隨後他立刻將拍攝的照片發給了自己的同事們。
赫薩維知道，有了這樣的高解析度圖像，他將有機會搜尋其周圍空間中隱藏著的子暈結構。如果有一個衛星星系存在於前景星系的周圍，那麼它的引力場會造成在前景星系對光線扭曲效應基礎上的二次扭曲，就像凸透鏡上被滴了一滴水地。但這樣的扭曲將是極其微弱的，因此必須依賴於複雜的演算法才能從中進行識別。
在過去的一年裡，赫薩維和他的同事們使用專門技術對SDP81星系的圖像展開分析。通過將觀測圖像與他們的計算機模擬結果進行比對，他們能夠推斷出該星系周圍是否存在衛星星系，以及它的質量。
很快，他們便識別出一個子暈結構，其質量約為太陽質量的10億倍左右。特魯本人並未參與這項工作，但他對此評論道：「這是一項巨大的技術，計算機和科學成就。」
這也不是天文學家們第一次藉助所謂引力透鏡效應去搜尋子暈結構了。但這一最新研究的不同之處就在於，其使用了強大的ALMA陣列望遠鏡，其工作波段主要是在比紅外光更長的波段區間。這一波段的輻射主要來自溫暖的星際塵埃，它們遍布背景星系SDP81。
而相比之下，前景星系內則幾乎不含塵埃，這就意味著對於ALMA望遠鏡來說，前景星系幾乎是不可見的。於是在它的觀測視野中，就不會存在來自前景星系的明亮干擾，也因此能夠讓天文學家們得以對背景星系開展更加細緻的研究和分析，並以前所未有的詳細程度開展相關研究。
另一個關鍵的方面在於，研究人員能夠利用這一方法對搜尋這一星系周圍其他可能存在的更小的子暈團塊結構，那是CDM模型預言存在，但卻尚未得到證實的重要線索。
尤其是，天文學家們展示了他們在理論上有能力找出質量僅相當於太陽質量大約1000萬倍左右的小型子暈團塊，這比他們實際已經找到的子暈案例的質量還要低100倍。特魯指出：「於是事情開始變得更加有趣了。」
哈勃望遠鏡拍攝的編號為星系團SDSS J1038+4849。整幅畫面看上去就像一個有趣的笑臉
溫暖的暗物質？寒冷的暗物質？
之所以這樣說，是因為關於暗物質存在一些不同的理論，而這些理論對於這類小質量子暈結構的數量多少有著完全不同的預測。
舉例來說，如果暗物質是「溫暖的」而不是「寒冷的」。那麼從定義上說，這就意味著暗物質粒子在早期宇宙中應該運行的速度會比較快，也就難以聚集成為團塊結構。因此，通過對今日宇宙中這類小型引力團塊數量的統計，我們將能夠推斷暗物質究竟是「溫暖的」還是「寒冷的」。
巴洛克表示：「如果你發現這類暗物質團塊的數量很多，那麼這就相當於給溫暖暗物質理論宣判了死刑，這是毫無疑問的。那將是冷暗物質模型正確性的確鑿證據之一。」
但為了搜尋到更多數量的子暈結構，天文學家們需要對更多的引力透鏡星系進行觀測。但一直到最近，這樣的觀測已經陷入停滯，他們只對很少幾個案例進行了觀測。好在這種狀況可能很快就將得到改變。
赫薩維表示：「我們感到興奮的是，這是我們研究的引力透鏡事件中，首次有觀測圖像的解析度恰好與我們的模擬結果相類似的情況。」這個星系本身顯示出團塊結構，讓赫薩維的小組得以從中識別那些由周圍的子暈結構產生的微小的扭曲效應。
暗物質構成整個宇宙大約1/4的成分，但我們對其本質幾乎一無所知
他回憶道：「當我第一眼看到那些美妙的纖細光弧，以及這個星系圖像中顯示的細微團塊結構跡象時，我就知道這一定會非常有趣。」而如果ALMA的首批圖像質量如此優異，後續的觀測也就非常值得期待了。特魯表示：「這是一項令人難以置信的傑出工作，現在終於開始得到回報。但這還只不過是開始。」
就在幾年之前，天文學家們僅僅掌握大約150例引力透鏡效應的案例，但這一數字目前正在快速增長。在最近幾年裡，赫薩維和同事們利用南極望遠鏡已經新發現了另外的超過150個引力透鏡案例，而利用其他望遠鏡預計也將能夠找出另外的數百個新案例。
而與此同時，ALMA望遠鏡則非常適合對這類目標進行高解析度的後續觀測工作。因此，赫薩維的研究組非常希望接下來能夠利用這台新的強大觀測設備對更多的引力透鏡案例進行觀察，並搜尋其周圍可能存在的子暈團塊結構。
通過幾年時間的努力，對儘可能多的星系案例進行分析，他們希望能夠獲得足夠多的數據，能夠解決所謂的「衛星星系失蹤之謎」，從而大大加深我們對於暗物質本質的理解。
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