IT之家 12 月 21 日消息，自 2022 年正式投入科学运行以来，詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST）在揭示宇宙早期历史方面取得了一系列突破性成果，然而却对暗物质之谜依然无可奈何。最新研究指出，JWST 或许正以一种科学家此前未曾意料到的方式，为破解暗物质之谜提供关键线索。
暗物质之所以难以研究，根本原因在于它几乎不与电磁辐射（光）发生相互作用，且作用极其微弱，导致科学家无法像研究普通物质那样直接探测它。这一特性也表明，暗物质并非由构成恒星、行星及日常世界的质子、中子和电子组成。尽管数十年来理论物理学提出了多种候选粒子，但至今仍停留在假设阶段。因此，科学家只能通过暗物质的引力效应来间接推断其存在，例如它如何影响时空结构，并进一步左右普通物质和光的分布。12 月 8 日发表在《自然・天文学》期刊上的一项研究提出，JWST 观测到的一些早期年轻星系呈现出异常拉长、细丝状的形态，而这可能正是暗物质引力特性在宇宙早期留下的“指纹”。对这些星系形态的研究，有望帮助科学家筛选出最可能构成暗物质的粒子类型。研究团队指出，在爱因斯坦广义相对论所描述的膨胀宇宙中，星系通常起源于暗物质形成的小尺度团块，最初的恒星在其中诞生，随后在引力作用下逐步并合，形成更大的星系。亚利桑那州立大学的研究人员罗吉尔・温德霍斯特表示：“JWST 的观测结果显示，最早期的星系可能嵌入在明显的丝状结构中，这些结构并非冷暗物质所预测的那种离散团块，而是更平滑地连接起恒星形成区域，这更符合一种具有量子行为的超轻暗物质粒子的预期。”在传统的宇宙学模拟中，如果假设冷暗物质主导宇宙结构形成，冷却气体沿着暗物质构成的“宇宙网”汇聚，能够较好地再现现代宇宙中以球状或椭球状为主的星系形态。然而，随着 JWST 将观测视野推进到宇宙极早期，天文学家越来越多地发现细长、丝状的年轻星系，这类结构在标准模型的模拟中难以自然产生。为解释这一现象，研究团队对比了多种不同暗物质假设下的宇宙演化模拟，重点考察了区别于标准“Λ 冷暗物质模型”（ΛCDM）的情形。结果显示，如果暗物质由“模糊暗物质”—— 即具有波动性质的超轻轴子粒子 —— 构成，其量子波动行为会在一定时期内抑制小尺度结构的形成，从而产生更平滑的丝状结构，这与 JWST 在遥远宇宙中观测到的星系形态相符。研究负责人、来自多诺斯蒂亚国际物理中心的阿尔瓦罗・波索解释称，如果超轻轴子粒子构成暗物质，其量子波动特性将阻止小至数光年尺度的结构在早期形成，从而促成大尺度上连续、平滑的丝状分布。在这种结构中，气体和恒星逐渐沿着暗物质丝流动，最终形成拉长的星系形态。此外，模拟还表明，“暖暗物质”情景同样可能产生类似效果。例如速度相对更快的暗物质粒子（如惰性中微子）也会形成比冷暗物质更平滑的暗物质丝状结构，从而在宇宙早期孕育出细长星系。无论是模糊暗物质还是暖暗物质，其共同点在于都能自然解释 JWST 发现的这些非典型星系形态。未来，JWST 将持续对宇宙早期这些形态异常的星系进行深入观测，而地面研究人员也将不断完善宇宙形成的数值模拟。研究团队认为，将高精度观测数据与先进理论模型相结合，或将为最终揭开暗物质本质提供关键突破。IT之家附论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41550-025-02721-5
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