韦伯望远镜捕捉到最遥远强引力透镜，暗物质之谜再添变数。
韦伯揭示了一个巨大、充满暗物质的星系团，它的形成时间早得惊人，挑战了科学家对宇宙如何演化的理解。
一个可追溯至此类巨大结构才刚刚开始成形的时代的庞大星系团，正在挑战科学家对宇宙演化的理解。美国国家航空航天局（NASA）詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的新观测显示，该星系团包含异常致密的物质聚集，这表明某些宇宙结构的形成速度可能比当前模型预测的快得多。
这个被称为 XLSSC 122 的星系团，已成为三项近期研究的焦点，这些研究由 IPAC——加州理工学院天体物理与行星科学领域的科学与数据中心——的研究人员领导。他们的发现确认，XLSSC 122 是已知最遥远、展现强引力透镜效应的星系团；这种效应使天文学家能够测量原本不可见物质的质量。这些研究于 2026 年 6 月 17 日在美国天文学会第 248 次会议上的一场新闻发布会上公布。
XLSSC 122 距地球约 104 亿光年，因其惊人的成熟度而令天文学家瞩目。尽管它存在于星系团仍在组装形成的时期，却已经展现出通常与现代宇宙中星系团相关的规模和有组织结构。
韦伯现在又揭示了另一个显著特征。XLSSC 122 恰好位于一个或多个更遥远星系的正前方。该星系团强大的引力弯曲并扭曲了来自那些背景星系的光，产生了一种称为强引力透镜的罕见效应。这种幸运的排列为科学家提供了一种异常精确的方法，用以测量质量如何在星系团中分布。
“当我们从 JWST 收到第一批图像时，我们说，‘哇，看看这个，这个星系团产生了强引力透镜！’”IPAC 专职科学家、首篇研究该星系团论文的第一作者凯尔·芬纳说。“XLSSC 122 现在创下了展现强引力透镜的最遥远星系团纪录，而强引力透镜是天文学家的一项宝贵工具。”
古老星系团挑战宇宙预测
新探测到的引力透镜使研究人员能够以前所未有的细节检查一个古老星系团中的质量分布。XLSSC 122 可追溯至被称为“宇宙正午”的时期，大约 100 亿年前，当时宇宙正经历其最剧烈的恒星形成时代。
在此期间，星系产生恒星的速率高达当今宇宙中所观测到的 100 倍。随着较小系统逐渐合并成更大结构，星系团也变得越来越常见。
然而，XLSSC 122 似乎以一种出人意料的方式发展。新的测量显示，其极大比例的质量被聚集在中心区域。根据标准宇宙学模型，大质量结构的增长本应更为渐进，这使得如此集中的星系团在宇宙历史的这一早期阶段尤其令人惊讶。
“XLSSC 122 是我们所知的宇宙中最早形成的星系团之一，而它的质量集中程度与我们的宇宙学模型预测不符，”芬纳说。
为了进一步研究这一谜团，芬纳及其合作者开展了另外两项 JWST 研究，分别由延世大学的扎卡里·斯科菲尔德和 Hyungjin Joo 担任第一作者。三篇论文合在一起，为这个不寻常的星系团提供了远为完整的图景，并为宇宙正午时期的星系团形成提供了新见解。
詹姆斯·韦伯揭示隐藏的暗物质
天文学家最初于 2014 年通过欧洲空间局 XMM-牛顿航天器进行的 X 射线巡天识别出 XLSSC 122。后来用哈勃太空望远镜进行的观测帮助确定了它约 104 亿光年的距离，并确认该星系团相对于其年龄显得异常发达。
然而，哈勃并未揭示强引力透镜的明确证据。当 JWST 拍摄到环绕该星系团中心的独特弯曲光弧时，情况发生了变化，这提供了 XLSSC 122 中该现象的首个确凿迹象。
“在 JWST 之前，我们无法在早期、遥远的宇宙中做这种水平的科学，”芬纳说。
这些引力畸变主要由天文学家无法直接观测到的某种东西造成：暗物质。
尽管 XLSSC 122 包含可见恒星和发光气体，但这些熟悉的物质形式只占引力透镜效应的一小部分。大部分畸变来自暗物质，这是一种无法通过光直接探测到的不可见物质，但其引力影响得到了大量天文证据的支持。
科学家估计，暗物质的丰度大约是普通物质的五倍，而普通物质构成了恒星、行星以及我们周围的一切。暗物质的引力帮助将星系维系在一起，并塑造了宇宙由星系群、星系团和纤维状结构组成的巨大网络。
由于暗物质在宇宙结构中扮演如此重要的角色，确定它在数十亿年前如何分布，为检验描述宇宙自约 138 亿年前大爆炸以来发展的理论提供了有力途径。
“强引力透镜是一种无需真正看到暗物质就能测量暗物质的方法，”芬纳说。“它为我们提供了一种灵敏的探针，用来检验宇宙学模型。”
更广阔的视角揭示星系团并合
在第二篇论文中，研究人员使用另一种称为弱引力透镜的引力透镜形式研究了 XLSSC 122。
强引力透镜产生明显的畸变，包括 JWST 拍摄到的醒目光弧。相比之下，弱引力透镜对遥远星系表观形状造成的变化要小得多。这些微妙效应很难逐一识别，因此天文学家依靠统计方法来探测它们。
这两种技术提供互补信息。强引力透镜特别适用于测量集中在星系团中心附近的质量，而弱引力透镜可以揭示物质如何分布在其外围区域。
“弱引力透镜可以限制更外围的质量，因此你能更好地了解星系团周围区域的情况，”芬纳说。
通过将这些测量与其他望远镜的 X 射线和射电观测结合起来，科学家确定 XLSSC 122 仍在经历并合。随着这个更大星系团逐渐成形，它的星系仍在继续聚集到一起。
更广泛的分析也强化了此前的发现：异常大量的质量集中在星系团中心附近。
古老星光为暗物质提供新线索
该团队的第三篇、也是最新一篇论文揭示了 XLSSC 122 的另一个重要特征：不再束缚于单个星系的恒星所产生的微弱光。
这种被称为星系团内光的弥散辉光来自散布到星系之间空间中的恒星。韦伯的观测代表了已知最早的星系团内光探测，为研究遥远宇宙中星系团的发展提供了另一种方式。
这种光的广泛分布支持了 XLSSC 122 正在经历并合的结论。当星系相互作用并碰撞时，一些恒星被从原星系中拉走，散布到整个星系团中。在 XLSSC 122 中，许多这些被移位的恒星似乎尚未沉降到其致密的中心区域。
研究人员还发现了这些游荡恒星与暗物质之间一个引人入胜的联系。
在星系团中心附近，星系团内光的形状与由强引力透镜推断出的暗物质分布密切吻合。这表明，星系之间恒星的微弱辉光或许可以作为一种可见指标，指示不可见暗物质集中在哪里。
如果天文学家在其他星系团中，尤其是早期宇宙的星系团中，观测到同样的关系，那么星系团内光可能成为绘制整个宇宙历史中暗物质分布的有价值新工具。
“在这个星系团中，星系团内光基本上追踪着暗物质，”芬纳说。“那束光告诉我们，这个星系团处于并合状态。”
更多古老星系团会挑战宇宙学吗？
芬纳及其同事的下一个目标是识别并研究数十个来自宇宙历史中类似早期时期的其他星系团。
发现这些遥远天体需要采取不同于详细研究它们的方法。尽管 JWST 异常强大，但其相对狭窄的视场使它更适合检查选定目标，而不是搜索天空中的广阔区域。
相反，天文学家必须首先通过广域 X 射线和射电巡天识别有希望的候选者，类似于最初揭示 XLSSC 122 的观测。
一种有前景的技术依赖苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应，当星系团内的高能粒子散射来自宇宙微波背景——大爆炸的微弱余辉——的辐射时，就会发生这种效应。
这种相互作用会产生独特区域，在宇宙微波背景观测中表现为“空洞”。通过寻找这些特征，天文学家可以定位原本可能难以探测的星系团。
找到更多像 XLSSC 122 这样的天体可能对宇宙学产生重大影响。如果其他古老星系团也包含出乎意料集中的暗物质，并表现出异常先进的发展，科学家可能需要修正关于大型宇宙结构形成速度的一些基本假设。
目前，XLSSC 122 为现有模型提供了一个重要检验，但需要更大的样本才能确定它的不寻常特性是罕见的，还是早期宇宙中更广泛模式的一部分。
“现在仍处于 JWST 时代的早期，”芬纳说，“如果我们能开始获得宇宙这一阶段数十个或数百个这类天体的数据，那么我们就真的可以开始检验我们的宇宙学模型了。”
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