臺北市立天文科學教育館

暗物質是一種神秘的物質，理論上不會發光，卻是理解夜空中星辰與星系如何形成與演化的關鍵。天文學家長久以來關注的一大問題是：暗物質是平滑分布的，還是呈現團塊狀？然而，暗物質無法直接被觀測，只能透過重力透鏡效應（gravitational lensing）間接推測，當一個更遙遠天體的光線被暗物質的重力彎曲或偏折時，我們便能察覺它的存在。

一項發表於《自然天文學》（Nature Astronomy）的全新研究，運用了一個橫跨全球的電波望遠鏡網路，包括綠堤望遠鏡（Green Bank Telescope）、甚長基線陣列（Very Long Baseline Array, VLBA），以及歐洲甚長基線干涉網（European VLBI Network, EVN）組成的地球規模超級望遠鏡，偵測到由暗天體重力造成的極其微弱訊號。研究團隊發現，這個暗天體的質量約為太陽的百萬倍，距離地球約100億光年，相當於宇宙只有65億年歷史時的遙遠區域。這是目前利用重力透鏡技術所測得質量最小的暗天體，其偵測極限比以往的成果低上約一百倍。為達到這樣的靈敏度，團隊必須使用全球電波望遠鏡陣列，建立一張極高精度的天空影像。

圖說：紅外線（黑白）與電波（彩色）的疊加。 在這個名為B1938+666的系統中，前景星系（位於環的中心）形成了這個遙遠星系美麗的愛因斯坦環。然而，該遙遠星系在電波波長下也同樣明亮，呈現出美麗的多重影像和重力弧（紅色部分）。Credit: Keck/EVN/GBT/VLBA

為了分析這筆龐大且複雜的資料，團隊必須開發全新的數值模擬演算法，並且只能在超級電腦上運行。團隊預期每個星系，包括我們的銀河系都充滿暗物質團塊，但要找出它們，需要極大量的運算分析。他們利用一種名為重力成像（gravitational imaging）的特殊技術，這是一種全新的天文技術，能讓天文學家看見宇宙中那些不發光的質量分布，透過延展的重力弧（gravitational arc）尋找微小的形變，研究團隊首次看見了這個不可見的暗物質。南非無線電天文台（SARAO）的John McKean（共同研究者與配套論文的主要作者）指出：「在取得的第一張高解析影像中，我們立刻注意到重力弧出現明顯變窄，這是暗示某個質量團塊存在的典型徵兆。只有在我們與遙遠的電波星系之間存在另一團小質量物體，才會造成這樣的現象。」

圖說：放大圖顯示出明亮電波弧中出現的「收縮」區域，這正是由暗天體的額外質量造成的重力透鏡效應。研究團隊利用精密的數值模擬演算法，成功重建出該暗天體的重力影像（gravitational image）。圖中，弧線收縮的白色區塊即為該暗天體所在位置。至今仍未在可見光、紅外線或電波波段偵測到任何來自它的光。Credit: Keck/EVN/GBT/VLBA

這項發現與目前主流的冷暗物質理論（Cold Dark Matter Theory）一致，該理論是解釋星系形成的核心基礎之一。目前，團隊正持續分析資料，以更深入了解這個神秘的暗天體，也在搜尋宇宙其他區域，嘗試用相同技術找出更多低質量暗物質天體。如果未來在不同天空區域也發現類似天體，且確定它們完全不含任何恆星或可見光源，那麼某些關於暗物質本質的理論，將可能被推翻。（編譯／王庭萱）

資料來源：Phys.org、Max Planck Institute

原始論文（開放取用）：D. M. Powell et al, A million-solar-mass object detected at a cosmological distance using gravitational imaging, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02651-2