[비즈한국] 我们的银河系被巨大的暗物质晕（Halo）所包围。通常在想象这个晕时，往往会联想到一个从银河系中心向外密度逐渐变薄的巨大圆形云团，就像包裹着太阳系的奥尔特云一样。人们也常认为这个巨大的晕是整体一次性形成的。然而，事实并非如此。
模拟宇宙演化的过程详细展示了暗物质晕的形成。并不是一次性产生巨大的晕，而是最初存在许多小型的“小晕”。随着宇宙大尺度结构的形成，它们逐渐聚集并混合，最终构成了如今巨大的晕。这种小型的小晕被称为“子晕”（sub-halo），其质量远小于单一的巨大晕。
理所当然地，人们认为在太阳系周边的银河系空间内也应该存留着大小不一的暗物质子晕痕迹，最近捕捉到了疑似其实体的迹象。在距离太阳系不远，约2300光年的地方，捕获到了暗物质团块——子晕的信号。
暗物质晕不仅仅是一个平坦的团块，暗物质子晕可以看作是散布在其中的小块“巧克力豆”。此次观测正是为了确认这些巧克力豆的存在。虽然现在听起来是常识，但暗物质无法通过光看到，只能通过引力来证明其存在。如果子晕在周围宇宙时空中引起引力变化，我们必须通过探测这些变化来推导其踪迹。因此，需要能够对时空微小变化产生敏锐反应的探测装置。
脉冲星（Pulsar）正是扮演了这一角色。脉冲星是演化结束后坍缩的中子星，特别是那些带着极强磁场高速旋转的恒星。由于恒星本身的自转轴与磁轴略有倾斜，沿着磁轴向外延伸的中子星能量束会观测到呈周期性闪烁的现象。它是以固定节奏闪烁的宇宙灯塔。因此，脉冲星成为了能够探测宇宙时空微小变化的精准宇宙时钟和浮标。
特别是在这次分析中，利用的不是单颗脉冲星，而是成对出现的脉冲星双星。如果单颗脉冲星出现周期变化，很难区分是因为恒星自身的变化，还是因为周围时空或其他外部因素。但如果脉冲星双星中两颗脉冲星都显示出相同的周期变化，则可以确定这是受双星系统之外的外部因素影响。因为两颗脉冲星同时偶然发生相同程度内部变化的概率极低。此次分析使用了27对脉冲星双星。
不过，由于脉冲星本身就是极为敏感和精确的宇宙时钟，为了纯粹地过滤掉周围暗物质子晕带来的效应，需要进行细致的预处理工作。必须尽可能排除非暗物质子晕带来的外部影响。首先要考虑两颗沉重的脉冲星紧密缠绕旋转时，向周围宇宙空间扩散的引力波效应。就像一对在水中缠绕游动的鱼会搅动水流一样，脉冲星双星可能会因释放引力波而损失能量，导致周期变化。
此外，还有脉冲星双星整体穿过宇宙空间时产生的效应。当然，和其他普通恒星一样，双星脉冲星也在宇宙空间中漂浮，进行着普通的固有运动。然而，由于它们在移动的同时不断发出固定节奏的信号，这会像多普勒效应一样，导致我们观测到的脉冲星周期产生微小变化。这被称为什克洛夫斯基（Shklovskii）效应。如果排除所有这些因素后，依然探测到无法解释的脉冲星周期变化，那就意味着还有某种看不见的东西在影响周围的时空。
令人惊讶的是，在一对脉冲星双星中探测到了明显的变化。成对的两颗脉冲星J1640+2224和J1713+0747所呈现的周期变化非常相似，且表现出极其相近的偏差模式。这意味着有相同的外部因素作用于涵盖这两颗脉冲星的周边时空。根据两颗脉冲星表现出的相同偏差计算，推测在距离太阳约2300光年的地方，存在一个质量约为太阳2400万倍的巨大暗物质子晕。这个质量至少是银河系中心人马座A*黑洞的六倍！
当然，拥有沉重的质量团并不一定意味着那里就有暗物质。也可能是因为发光的恒星聚集在该区域，密度异常之高。但即便搜寻此次推测存在暗物质子晕的天区，并没有发现明显的亮光。
根据绘制银河系内外恒星3D地图的盖亚（Gaia）空间望远镜的观测结果显示，仅靠该区域聚集的恒星，根本无法填补此次推测出的暗物质子晕的全部质量。这里什么也看不见。但显然，这里必须存在一个极重的质量团。即便考虑了恒星以外的气体云，质量依然不足。在该区域观测到的发光普通物质（重子）的平均密度仅为每pc^2 0.084个太阳质量。而暗物质密度却达到每pc^2 10个太阳质量。这意味着存在一个相比重子物质，几乎完全由暗物质构成的重质量团。
有人可能会想是不是潜伏着巨大的黑洞，但这种可能性极低。因为很难想象一个比银河系中心超大质量黑洞重六倍的黑洞，会漂浮在远离银河中心的荒凉之地。此外，如果是那么沉重的黑洞，在穿越银河空间时应该会吞噬大量恒星和气体物质，并留下明显的黑洞喷流痕迹，但目前完全没有此类迹象。考虑到也没有观测到明显的强引力透镜现象，与其说是因为存在一个聚集了2400万倍太阳质量的点状黑洞，不如说存在一个在广阔区域内高密度分布的暗物质子晕更为合理。
如果此次发现无误，这将是在银河系内部，且在距太阳仅2300光年的相当近的距离下，首次直接确认了暗物质子晕的存在。这标志着我们真的发现了那些只能在超高分辨率超级计算机模拟中看到的暗物质小团块，即漂浮在银河系晕中的一块“巧克力豆”。
这次发现是暗物质存在的又一证据，证明了它们虽然不发光、看不见，但确实通过引力在发挥作用。这甚至超出了银河系外围那层巨大的圆形晕，而是确认了内部精细漂浮的更小的暗物质碎片云。
虽然这次仅在这一对脉冲星双星中观察到了显著偏差，但如果未来进行更多探测，我们将能了解到周边有多少大小不一的暗物质碎片云在漂浮，并能更细致地绘制出包裹银河系的暗物质晕图谱。我们将不再仅仅绘制一个平坦、模糊的晕，而是会绘制出如同挂满葡萄般的、布满大小不一暗物质子晕的全新晕图。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250716932C/abstract
作者池雄培（Ji Ung-bae）是谁？他热爱猫和宇宙。小时候在看了《银河铁道999》后，立下了向世人传达宇宙之美的梦想。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，进行讲座、写作等多种科学传播活动。著有《每日一片宇宙》、《星光璀璨的宇宙科学家们》、《虽无法触及却能知晓》、《观看宇宙时浮现的奇怪问题》等书籍，并翻译了《给真正的宇宙旅行者的搭车指南》、《我为何杀了冥王星》、《量子生活》、《Cosmigraphic》等作品。