在這張由哈勃太空望遠鏡拍攝的圖像中，充斥在星系之間的是一些神秘的藍光弧。這些實際上是星團後面遙遠星系的扭曲圖像。所有正常物質和暗物質聚集在星系團內部，它們共同的引力扭曲了時空，影響了穿過星系團向地球傳播的光。
版權：美國國家航空航天局（NASA），歐洲航天局（ESA），J. Lotz和HFF團隊（STScI）
暗物質的真正性質是宇宙中最大的謎團之一。科學家們正試圖確定暗物質到底是由什麼組成的，以便能夠對其進行直接探測，但我們目前的認識有很多差距，很難知道我們究竟在尋找什麼。寬視場紅外巡天望遠鏡（Wide-Field Infrared Survey Telescope，WFIRST）探測宇宙大範圍區域的能力將通過探索普通物質和暗物質在空間和時間上的結構及分佈來幫助我們弄清楚暗物質是由什麼組成的。
為什麼暗物質是一個如此令人困惑的話題？科學家們首次懷疑暗物質的存在是在80多年前，當時瑞士裔美國天文學家弗裡茨·茲威基（Fritz Zwicky）觀察到後發星系團（Coma Cluster）中的星系移動得如此之快，它們本應被拋向太空，卻被看不見的物質通過引力作用與使其與星系團束縛在一起。然後在20世紀70年代，美國天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin）在單個螺旋星系中發現了同樣類型的問題。恆星向星系邊緣移動的速度太快，以至於不能被星系中的可見發光物質所控制 - 這些星系中一定有比我們所能看到的更多的物質來將恆星保持在軌道上。自從這些發現以來，科學家們一直在試圖利用稀少的線索來拼湊這個謎題。
目前有各種各樣的暗物質候選。我們甚至不知道暗物質粒子的質量是多少，這使得我們很難找到尋找它們的最佳方法。由於暗物質的引力效應，WFIRST的寬視場調查將為通過迄今為止最詳細的暗物質研究提供全面的星系和星系團在宇宙中的分佈情況。這些調查將對暗物質的基本性質提供新的見解，這將使科學家能夠改進他們的搜索技術。
大多數關於暗物質粒子性質的理論認為，它們幾乎從不與正常物質相互作用。即使有人把一大塊暗物質扔到你頭上，你也可能什麼都看不見。你沒有任何方法來探測其存在 - 當涉及到暗物質時，你所有的感官都毫無意義。你甚至無法阻止它徑直穿過你的身體，衝向地心。
這不會發生在諸如貓或人等常規物質上，因為地面原子和人體原子之間的作用力阻止我們從地球表面墜落，但是暗物質的行為卻很奇怪。暗物質是如此不顯眼，以至於用望遠鏡都看不見它。望遠鏡以人類肉眼看不到的光的形式（從無線電波到高能伽馬射線）對宇宙進行觀測。
暗物質“透鏡”
如果暗物質是看不見的，我們怎麼知道它存在呢？雖然暗物質在大多數情況下不會與普通物質發生相互作用，但它確實會對普通物質產生引力影響（這也是幾十年前暗物質是如何被首次發現），因此我們可以通過觀察星系團（宇宙中最龐大的結構）來繪製暗物質的存在地圖。
這張哈勃太空望遠鏡的馬賽克圖顯示了巨大的后髮座星系團（Coma galaxy cluster）的一部分，它包含了1000多個星系，位於3億光年之外。其星系的快速運動是暗物質存在的第一個線索。
版權：NASA，ESA，J. Mack （STScI）和J. Madrid（澳大利亞望遠鏡國家設施）
光總是沿直線傳播，但時空（宇宙的組成部分）卻因其內部質量的聚集而彎曲。所以當光經過一個質量體時，它的路徑也會彎曲：在彎曲空間中是一條直線。正常情況下，在星系團附近通過的光線會向星系團彎曲匯聚，從而產生增強的背景光源圖像，有時還會產生多幅背景光源圖像。這個過程被稱為“強引力透鏡”（strong gravitational lensing），它將星系團轉變成巨大的天然望遠鏡，讓我們得以瞥見遙遠的宇宙物體，而這些物體通常因為太過微弱而無法看見。
由於更多的質量會導致更強的透鏡效應，引力透鏡觀測提供了確定物質在星系團中的位置和數量的方法。科學家們發現，我們在星系團中看到的所有可見物質都不足以產生所觀察到的扭曲效應。是暗物質提供了剩餘的引力。
科學家們藉助NASA的威爾金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）等實驗，通過測量最早期宇宙中有多少普通物質以及有多少暗物質，證實了之前的觀察結果。儘管普通物質構成了我們所能看到的一切，但宇宙中所包含的暗物質必須是普通物質的五倍以上，才能符合我們的觀測結果。
WFIRST將在先前暗物質研究的基礎上，利用所謂的弱引力透鏡（weak gravitational lensing）來追蹤較小的暗物質團如何扭曲更遙遠星系的明顯形狀。在這種更精細的尺度上觀察透鏡效應，將使科學家能夠填補我們對暗物質理解的更多空白。
該任務將測量數億星系中普通物質和暗物質的位置及數量。在整個宇宙歷史中，暗物質一直推動著恆星和星系的形成及演化。如果暗物質是由重而移動速度緩慢的粒子組成，那麼它將很容易聚集在一起，WFIRST應該在宇宙歷史早期觀測到星系的形成。如果暗物質是由更輕、移動速度更快的粒子組成，那麼將需要更長的時間來形成團塊，並形成大規模的結構。
WFIRST的引力透鏡研究將使我們能夠及時回溯，以追蹤星系和星系團在暗物質影響下是如何形成的。如果天文學家能夠縮小暗物質粒子的候選範圍，我們就離在地球上直接探測它們又近了一步。
來源：https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/wfirst-will-add-pieces-to-the-dark-matter-puzzle
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