[비즈한국] 我們的銀河系被巨大的暗物質暈（Halo）所包圍。通常在想象這個暈時，往往會聯想到一個從銀河系中心向外密度逐漸變薄的巨大圓形雲團，就像包裹著太陽系的奧爾特雲一樣。人們也常認為這個巨大的暈是整體一次性形成的。然而，事實並非如此。
模擬宇宙演化的過程詳細展示了暗物質暈的形成。並不是一次性產生巨大的暈，而是最初存在許多小型的“小暈”。隨著宇宙大尺度結構的形成，它們逐漸聚集並混合，最終構成了如今巨大的暈。這種小型的小暈被稱為“子暈”（sub-halo），其質量遠小於單一的巨大暈。
理所當然地，人們認為在太陽系周邊的銀河系空間內也應該存留著大小不一的暗物質子暈痕跡，最近捕捉到了疑似其實體的跡象。在距離太陽系不遠，約2300光年的地方，捕獲到了暗物質團塊——子暈的訊號。
暗物質暈不僅僅是一個平坦的團塊，暗物質子暈可以看作是散佈在其中的小塊“巧克力豆”。此次觀測正是為了確認這些巧克力豆的存在。雖然現在聽起來是常識，但暗物質無法透過光看到，只能透過引力來證明其存在。如果子暈在周圍宇宙時空中引起引力變化，我們必須透過探測這些變化來推導其蹤跡。因此，需要能夠對時空微小變化產生敏銳反應的探測裝置。
脈衝星（Pulsar）正是扮演了這一角色。脈衝星是演化結束後坍縮的中子星，特別是那些帶著極強磁場高速旋轉的恆星。由於恆星本身的自轉軸與磁軸略有傾斜，沿著磁軸向外延伸的中子星能量束會觀測到呈週期性閃爍的現象。它是以固定節奏閃爍的宇宙燈塔。因此，脈衝星成為了能夠探測宇宙時空微小變化的精準宇宙時鐘和浮標。
特別是在這次分析中，利用的不是單顆脈衝星，而是成對出現的脈衝星雙星。如果單顆脈衝星出現週期變化，很難區分是因為恆星自身的變化，還是因為周圍時空或其他外部因素。但如果脈衝星雙星中兩顆脈衝星都顯示出相同的週期變化，則可以確定這是受雙星系統之外的外部因素影響。因為兩顆脈衝星同時偶然發生相同程度內部變化的機率極低。此次分析使用了27對脈衝星雙星。
不過，由於脈衝星本身就是極為敏感和精確的宇宙時鐘，為了純粹地過濾掉周圍暗物質子暈帶來的效應，需要進行細緻的預處理工作。必須儘可能排除非暗物質子暈帶來的外部影響。首先要考慮兩顆沉重的脈衝星緊密纏繞旋轉時，向周圍宇宙空間擴散的引力波效應。就像一對在水中纏繞遊動的魚會攪動水流一樣，脈衝星雙星可能會因釋放引力波而損失能量，導致週期變化。
此外，還有脈衝星雙星整體穿過宇宙空間時產生的效應。當然，和其他普通恆星一樣，雙星脈衝星也在宇宙空間中漂浮，進行著普通的固有運動。然而，由於它們在移動的同時不斷髮出固定節奏的訊號，這會像多普勒效應一樣，導致我們觀測到的脈衝星週期產生微小變化。這被稱為什克洛夫斯基（Shklovskii）效應。如果排除所有這些因素後，依然探測到無法解釋的脈衝星週期變化，那就意味著還有某種看不見的東西在影響周圍的時空。
令人驚訝的是，在一對脈衝星雙星中探測到了明顯的變化。成對的兩顆脈衝星J1640+2224和J1713+0747所呈現的週期變化非常相似，且表現出極其相近的偏差模式。這意味著有相同的外部因素作用於涵蓋這兩顆脈衝星的周邊時空。根據兩顆脈衝星表現出的相同偏差計算，推測在距離太陽約2300光年的地方，存在一個質量約為太陽2400萬倍的巨大暗物質子暈。這個質量至少是銀河系中心人馬座A*黑洞的六倍！
當然，擁有沉重的質量團並不一定意味著那裡就有暗物質。也可能是因為發光的恆星聚集在該區域，密度異常之高。但即便搜尋此次推測存在暗物質子暈的天區，並沒有發現明顯的亮光。
根據繪製銀河系內外恆星3D地圖的蓋亞（Gaia）空間望遠鏡的觀測結果顯示，僅靠該區域聚集的恆星，根本無法填補此次推測出的暗物質子暈的全部質量。這裡什麼也看不見。但顯然，這裡必須存在一個極重的質量團。即便考慮了恆星以外的氣體雲，質量依然不足。在該區域觀測到的發光普通物質（重子）的平均密度僅為每pc^2 0.084個太陽質量。而暗物質密度卻達到每pc^2 10個太陽質量。這意味著存在一個相比重子物質，幾乎完全由暗物質構成的重質量團。
有人可能會想是不是潛伏著巨大的黑洞，但這種可能性極低。因為很難想象一個比銀河系中心超大質量黑洞重六倍的黑洞，會漂浮在遠離銀河中心的荒涼之地。此外，如果是那麼沉重的黑洞，在穿越銀河空間時應該會吞噬大量恆星和氣體物質，並留下明顯的黑洞噴流痕跡，但目前完全沒有此類跡象。考慮到也沒有觀測到明顯的強引力透鏡現象，與其說是因為存在一個聚集了2400萬倍太陽質量的點狀黑洞，不如說存在一個在廣闊區域內高密度分佈的暗物質子暈更為合理。
如果此次發現無誤，這將是在銀河系內部，且在距太陽僅2300光年的相當近的距離下，首次直接確認了暗物質子暈的存在。這標誌著我們真的發現了那些只能在超高解析度超級計算機模擬中看到的暗物質小團塊，即漂浮在銀河系暈中的一塊“巧克力豆”。
這次發現是暗物質存在的又一證據，證明了它們雖然不發光、看不見，但確實透過引力在發揮作用。這甚至超出了銀河系外圍那層巨大的圓形暈，而是確認了內部精細漂浮的更小的暗物質碎片雲。
雖然這次僅在這一對脈衝星雙星中觀察到了顯著偏差，但如果未來進行更多探測，我們將能瞭解到周邊有多少大小不一的暗物質碎片雲在漂浮，並能更細緻地繪製出包裹銀河系的暗物質暈圖譜。我們將不再僅僅繪製一個平坦、模糊的暈，而是會繪製出如同掛滿葡萄般的、佈滿大小不一暗物質子暈的全新暈圖。
參考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250716932C/abstract
作者池雄培（Ji Ung-bae）是誰？他熱愛貓和宇宙。小時候在看了《銀河鐵道999》後，立下了向世人傳達宇宙之美的夢想。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，進行講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《每日一片宇宙》、《星光璀璨的宇宙科學家們》、《雖無法觸及卻能知曉》、《觀看宇宙時浮現的奇怪問題》等書籍，並翻譯了《給真正的宇宙旅行者的搭車指南》、《我為何殺了冥王星》、《量子生活》、《Cosmigraphic》等作品。