暗光子方案将帮助物理学家从暗物质“候选名单”上再划掉几个不靠谱的选项。“虽然我们从各种各样的途径获得了暗物质存在的证据，”韦纳说，“但除了引力相互作用外，我们对它仍一无所知。如果暗物质确实存在这种自相互作用，那么有一大堆关于暗物质的理论模型就可以被淘汰了。”
这一发现发表在了2015年6月的英国《皇家天文学会月刊》上。值得一提的是，这个发现可能与许多著名的暗物质假说相左，因为这些假说中的暗物质粒子是从超对称理论中导出的。超对称理论是一个试图解答许多物理学谜题的诱人理论，例如，它假设基本粒子种数比目前已知的更多，以此来解释希格斯玻色子的质量为何如此之小。但即便推出暗物质是由这些粒子中的某一种（比如WIMP）构成，这一理论的大多数版本也不包含自相互作用。
哈勃空间望远镜发现暗物质在星系碰撞中的异常行为。
参与该项研究的科学家则认为，现在就排除其他更“平庸”的解释还为时尚早。例如，当暗物质处在碰撞星系之外，同时又恰在地球的视线上，则可能增强引力透镜效应。“对这项研究不利的方面是，这个发现仅是一个孤立事件，”团队成员、来自瑞士洛桑联邦理工大学的戴维·哈维（David Harvey）说，“宇宙中有太多的未知，我只能说一切皆有可能。”况且，在之前对其他星团的搜寻中，也没找到过暗物质自相互作用的迹象，这其中就包括2015年3月哈维领导的一项涉及72例星团碰撞而非个别星系碰撞的研究。不过，星团碰撞的速度比星系碰撞的速度更快，留给暗物质进行自相互作用，并显出滞后迹象的时间也更少，所以两项研究的结果并不矛盾。
即便后来的观测没能引入新的作用力和暗光子方案，艾贝尔3827星团仍然让物理学家在“暗物质不是什么”这个问题上前进了一步。与此同时，地下探测暗物质粒子的搜寻仍然无果，欧洲核研究中心的大型强子对撞机目前也仍未找到暗物质粒子。科学家期盼能很快出现转机：2015年4月重启的大型强子对撞机达到了它的最高能量上限，探测器的灵敏度也会调至最高。“暗物质是如此令人费解，我们想要的数据不知何时才能获得，”哈维感叹，“我感觉如果现在还不出现转机，就永远都不会出现了。”
PandaX实验暂未探测到暗物质
撰文｜韩晶晶
想要捕捉到暗物质的踪迹绝非易事。虽然灵敏度更高的实验尚未发现暗物质，但为暗物质理论提供了更强的限制。
暗物质依然难以捉摸，但它已经渐渐被科学家逼入死角了。2016年，上海交通大学的PandaX（粒子和天体物理氙探测器）暗物质探测实验的新结果公布。实验虽未探测到暗物质粒子，但更进一步地限定了它的性质。
物理学家认为，整个宇宙的物质中有大约84％是暗物质，而中子和质子等构成的普通物质仅占了很小的一部分。暗物质不参与电磁相互作用，也不会发出电磁辐射。正是这样，它们才得到了“暗”物质这个名称。但是，它们会通过引力对宇宙施加巨大的影响，支配着星系和星系团的形成和演化。暗物质对天体物理学意义重大，但遗憾的是，我们至今仍不知道它们究竟是什么。
目前，最受科学家青睐的暗物质候选者是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。这种粒子本身尚未得到证实，只是超对称理论的一个预言。该理论认为，任何一种粒子都存在一个超对称伙伴，而WIMP就是这类伙伴粒子中最轻的一种。
研究者一直在通过多种手段寻找WIMP，其中一种关键的手段就是直接探测。WIMP粒子虽然几乎不与普通物质发生作用，但还是有很小的概率会撞上原子核。目前，有很多实验就是以此为基础设计的。这些实验的装置中有大量的锗、液氙，或者液氩等物质，当WIMP撞击其中的原子核时，会把部分能量转移给它们，使它们发出可以探测到的信号。
PandaX实验使用的就是液氙。第二期实验运行的时候，探测器灵敏区域内的液氙的质量已经扩大到了580千克。该实验由上海交通大学牵头，参与机构包括北京大学、山东大学、中国科学院上海应用物理研究所、中山大学、中国科学技术大学、中国原子能科学研究院和雅砻江流域水电开发有限公司等。
暗物质探测实验的一大难题就是如何屏蔽宇宙射线带来的干扰，因此这类实验装置往往设置在地下深处，利用厚厚的岩石屏蔽干扰。例如大型地下氙探测器（LUX）就隐藏在美国南达科他州的废金矿深处，距离地表1,480米。而PandaX实验有所不同，它所在的中国锦屏地下实验室位于四川锦屏山长逾17千米的隧道内，实验室上方厚达2,400米的锦屏山山体起到了屏蔽宇宙射线干扰的作用。岩石本身放射性产生的辐射则由一个100吨的聚乙烯、铅及高纯铜组成的屏蔽体来隔离。
尽管如此，PandaX还是无法完全杜绝其他粒子带来的背景干扰，因此研究者需要采取一些办法从干扰信号中分辨出真正的暗物质信号。实验组成员、上海交通大学的谌勋在接受《环球科学》记者采访时介绍：“不同的暗物质探测实验区分暗物质信号和背景信号的方法各不相同。具体到PandaX暗物质探测实验来说，我们采用了二相型氙的探测方案。”二相指的是探测器中不仅有液态氙，也有气态氙。WIMP撞击氙原子核后，不仅会激发原子发出闪光，还可能导致原子电离，逃出来的电子在电场的作用下会进入气态氙，也发出闪光。而背景信号的主要来源是周围环境产生的伽马光子和中子。伽马光子与氙原子的电子作用，中子和原子核相互作用，同样也会产生类似的闪光信号。
谌勋说：“WIMP主要和原子核作用，而伽马光子主要和电子作用，这两种碰撞在液态氙和气态氙中产生的两次闪光信号的大小比例有明显差别，与电子碰撞时，在气态氙中产生的信号更强。通过这种方法，我们可以将来自伽马光子的本底信号和暗物质信号区分开来。中子则可能在探测器里面多次散射，从而产生多次闪光信号，这样我们也能够排除部分中子本底。”
PandaX实验于2016年7月公布的最新结果显示，从2016年3月到6月，PandaX探测器记录了约3,000万次粒子事件。经分析，这些事件被一一排除，最后剩下的可疑事件只有2016年6月11日3时3分6秒的一个。但研究者通过分析最终认定，这个事件来源于探测材料的放射性，也不是源自暗物质粒子。
谌勋表示：“我们的实验没有发现暗物质，但是可以根据我们的探测器里面氙的质量以及运行时间，在暗物质的标准天文学假设下，给出WIMP与普通物质的散射截面的上限，从而对暗物质理论提供更强的限制。随着实验规模变大和实验时间变长，这个限制将越来越严格。如果有些理论是对的话，实验将极可能发现它们所预言的暗物质信号。”
PandaX第二期实验所用的探测器
随着暗物质探测实验的灵敏度不断提升，我们可能离发现WIMP正越来越近。不过，如果暗物质其实并不是WIMP，这种实验并不能帮我们把它彻底排除掉。如果实验装置已经非常灵敏，却还是没有探测到WIMP，就会陷入一种尴尬的境地：探测实验会开始捕捉到中微子信号。中微子几乎无处不在，没有任何办法能屏蔽它们，而且它们产生的信号和WIMP无法区分。“因此，存在一个所谓的‘中微子本底’极限，当实验灵敏度到达这个极限之后，将无法区分看到的信号来自中微子还是暗物质，也就不能对低于这个极限的WIMP暗物质进行任何限制了，”谌勋说，“但是要达到中微子极限需要数十吨级别的液氙探测器，通过几年的观测才能实现。在目前的极限和中微子本底之间，还有很大的空间等待我们去探索。”
暗物质研究前途未卜
撰文｜李·比林斯（Lee Billings）
翻译｜赵昌昊
暗物质到底是什么？曾经被寄予厚望的弱相互作用大质量粒子或许不是正确答案。对这种粒子的探测屡屡受挫，于是物理学家开始尝试寻找其他可能的暗物质粒子。
近几十年，物理学家期望能够探测到弱相互作用大质量粒子（WIMP），以推动物理学的发展。整个宇宙有85％左右的质量来自暗物质。暗物质不发光，也很难与普通物质发生相互作用。物理学家曾经猜测，WIMP是构成暗物质的粒子。然而，迄今最灵敏的暗物质探测实验仍然没能发现其踪迹。也许是WIMP隐藏得太深，也许是我们认识宇宙的知识根基本身不牢固——WIMP可能根本不存在。很多科学家仍然期待更先进的实验装置能够探测到WIMP，但其他人则开始重新将目光投向一些过去一直不看好的暗物质理论。
2016年夏天，大型地下氙探测器（LUX，位于美国南达科他州的布莱克丘陵）的实验结果显示未能探测到WIMP。探测器中含有的1/3吨液态氙，维持在－100℃，存放于地下约1.5千米深的巨大水箱中，这样山体和水可以屏蔽大多数无关辐射。研究人员花了一年多时间寻找WIMP与氙原子核碰撞发出的光，但在2016年7月21日，他们宣布未能探测到WIMP。
2016年8月5日，人类历史上建造的最大的粒子加速器——欧洲核研究中心的大型强子对撞机（LHC，邻近瑞士日内瓦）也宣布未能探测到WIMP。从2015年春季起，为了寻找WIMP的踪迹，LHC就开始用前所未有的高能量使质子对撞，对撞频率高达每秒10亿次。早期，两个研究团队在碰撞产生的亚原子残骸中发现了多余的能量，从物理机制上说，这一反常迹象可能源于WIMP（准确地讲，也有很多其他可能）。然而，随着LHC对撞数据的积累，多余能量逐渐隐去，这也就意味着之前观察到的只是随机性的统计涨落。
两组实验都不能证明WIMP存在，这对于暗物质探测来说有好也有坏。一方面，实验结果更进一步限制了WIMP的质量范围和相互作用强度，为我们设计下一代WIMP探测器提供了依据。另一方面，实验结果也排除了几个最简洁、最有希望的WIMP模型，这使得科学家越发担忧，WIMP可能是人类探测暗物质历程中走过的一段弯路。
爱德华·科尔布（Edward W. Kolb）是美国芝加哥大学的一位宇宙学家，他在20世纪70年代为WIMP探测做了奠基性工作，并且称21世纪的第2个10年是“WIMP的10年”。但现在他承认，实际的探测工作并没有预期那样顺利。“相比5年前，我们现在对WIMP的了解只少不多。”科尔布说。他表示，大多数理论物理学家希望“让WIMP理论百花齐放”，发展出更加复杂和奇异的理论，来解释这种本该遍布宇宙空间的粒子究竟是如何躲过了人类的探测器。
理论工作者有两点彼此相关的理由来支持WIMP探测。其一，WIMP是粒子物理标准模型的一种广为接受的扩展理论的自然推论。该理论预言，在宇宙大爆炸后很短的时间内，WIMP就已经产生。其二，如果宇宙早期确实产生了这些WIMP，那么根据直接计算的结果，现阶段WIMP的总量和性质，与根据天文观测推测出的暗物质的总量和性质几乎完全吻合。如此巧合，堪称“WIMP奇迹”。它支持着粒子物理学家在几十年间努力寻找WIMP，但现在有些理论物理学家开始怀疑这一理论是否真的合理。
例如，美国加利福尼亚大学欧文分校的物理学家冯孝仁（Jonathan Feng）和贾森·库马尔（Jason Kumar）在2008年提出，超对称理论可以预言一系列比WIMP质量更小、相互作用更加微弱的粒子。冯孝仁说：“这种粒子的总量与我们现在所观测到的暗物质相当，但它不是WIMP。该理论与WIMP理论看上去都非常可信，打破了我们以往对WIMP理论的笃信。我们把这一理论结果称为‘无WIMP奇迹’。”
暗物质的艺术概念图
理论对于简单WIMP模型的支持越来越弱，实验上又始终没有探测到WIMP，这让包括冯孝仁在内的许多物理学家开始觉得，也许WIMP只是某种更复杂的物理图景中的一个局部——宇宙中可能还有一个隐秘未见的“暗区域”，其中各种各样的“暗粒子”彼此之间通过一套“暗力”发生相互作用，比如“暗电荷”之间可以通过交换“暗光子”进行相互作用。
暗区域模型中，待定参数非常多。物理学家可以自由调节这些参数，使得理论模型能够满足新的观测数据对该模型的限制。不过这样一来，想要通过实验最终确定某一个具体模型是正确的，也会格外困难。
美国普林斯顿大学的天体物理学家戴维·斯珀格尔（David Spergel）说：“有了暗区域模型，我们几乎可以随意创造出任何想要的结果。现在，我们无法依靠‘WIMP奇迹’指引道路，因为可能的理论模型实在太多。我们根本不知道正确的模型到底在何方，只有等大自然透露更多线索，我们才能继续探索下去。”
有些物理学家则认为，大自然已经暗示我们，应该完全放弃WIMP模型，另求他法。比如，“幽灵粒子”中微子已经被实验证实有3种类型，即3种“味”。尽管这3种类型的中微子的总质量不足以构成宇宙中所有的暗物质，但中微子质量不为零，这一性质意味着宇宙中还可能有第4种质量很大的中微子，它被称为“惰性中微子”。
美国加利福尼亚大学欧文分校的理论物理学家凯沃克·阿巴扎基安（Kevork Abazajian）说：“关于中微子质量的起源，几乎所有合理的理论都要求惰性中微子存在。这些惰性中微子很容易就能成为暗物质的组成部分。”
轴子则是另一种有望解释暗物质构成的粒子。1977年，物理学家提出了这种假想的弱相互作用粒子，以便解决量子相互作用中尚未解决的非对称性问题。如果要用轴子来解释暗物质，那么其可能的质量范围更窄，质量也比WIMP轻很多。美国斯坦福大学的物理学家彼得·格雷厄姆（Peter Graham）说：“如果我们探测不到WIMP，那么理论物理学家就会转而研究轴子。”
除了WIMP模型与暗区域模型，以及惰性中微子理论与轴子理论，还有更多更奇特的理论有可能解释暗物质的起源，不过这些理论仍处于物理学研究的边缘地带，这其中包括原初黑洞理论、额外维度理论等。当然还有一种可能，就是爱因斯坦的引力理论有瑕疵。
研究暗物质的物理学家并不担心暗物质会最终被认定为一个错误的概念。不论他们倾向于哪一种理论模型，天文观测的结果都已经表明，暗物质的存在不容置疑。他们所担心的是，暗物质的性质或许与物理学中其他的未解之谜无关，也就无法为我们认识自然界的本质提供更多的帮助。
美国麻省理工学院的物理学家杰西·塞勒（Jesse Thaler）说：“我们不仅仅期望发现暗物质，更期望它能够帮助我们解决粒子物理标准模型中的其他重大问题。新的发现也许不能揭示真相……因为我们往往要过一段时间才能找到理论把整个图景联系起来。有时，新发现的粒子会让我们心生疑问：‘是谁设计了这一切？’在我们生活的宇宙中，也许每次新发现都能带来更深入、更基础的认识，也许并非所有的事情都有据可依——在暗物质的问题上，这些都有可能。”
话题八 星系谱写的宇宙传奇
神奇的宇宙不但孕育了我们所在的银河系，还创造了其他形态各异的星系。它们有的青春焕发，有的年事已高；有的绚丽美妙，有的暗淡稀疏；有的看起来像蝌蚪，有的形似大海中的水母。通过揭开有关这些星系的种种谜团，我们不但可以了解银河系是怎么诞生的，还有可能窥见宇宙的过去与未来。
最古老的旋涡星系
撰文｜约翰·马特森（John Matson）
翻译｜王栋
在纷杂的早期宇宙中，天文学家发现了一颗美丽的“钻石”——迄今所知最古老的明亮旋涡星系。它的出现也许能解开困扰天文学家很久的问题：在宇宙的早期，为什么旋涡结构如此稀少。
早期的宇宙热闹而纷杂。与今天相比，那时星系之间的碰撞融合更加频繁，而且星系内部也混乱地充斥着由恒星构成的团块，几乎无法形成精巧有序，如银河系或仙女星系一样的旋涡星系。
然而，通过扫描数百个在宇宙大爆炸后几十亿年内出现的星系，一个由天文学家组成的研究团队在这一片纷杂中发现了一颗美丽的“钻石”——一个罕见的、带有明显旋臂结构的早期星系。这一发现发表在2012年7月19日的《自然》杂志上。这个星系的独特情况或许能够说明旋涡结构在那个时期如此稀有的原因。
这个星系被命名为BX 442，存在于宇宙大爆炸后30亿年。通过研究哈勃空间望远镜拍摄的照片，科学家们辨别出它是一个旋涡星系。它看起来符合“宏象旋涡”星系的特征。在这类星系中，明显的旋臂结构成为了由恒星构成的星盘最显著的外貌特征。
在现在的宇宙中，旋涡结构比比皆是，但当天文学家们将目光穿越宇宙，投向越来越远（也就是越来越古老）的天体上时，旋涡结构就开始逐渐消失了。天文学家们看到的多是块状的、斑斑点点的星系飘荡在奇异的宇宙中，而没有期待中的古老旋涡星系。然而，由于某种原因，BX 442却具有今天通常的旋涡结构，原因或许是它不久前才擦碰上另一个小得多的星系。“我们能给出的最合理的解释是，它形成旋臂的原因是旁边那个小型伴随星系。”该项研究的主要作者、加拿大多伦多大学的天体物理学家戴维·劳（David R. Law）说。“如果这个伴随星系是触发因素的话，旋臂将很可能在大约1亿年内逐渐消失。”劳解释。在宇宙的那个时期，旋涡结构只能短暂存在的特性可以说明旋涡结构如此稀少的原因。
BX 442也有可能是自己演化出了旋涡结构，而不是依靠“邻居”帮忙。星系内由恒星和气体构成的团块能够导致旋臂的形成；而BX 442的其中一条旋臂旁似乎具有至少一个巨大团块。
当下一代观测设备（例如美国国家航空航天局的韦布空间望远镜）投入使用之后，我们将获得更多宇宙不同阶段的星系样本，这些星系样本可以用于进一步研究。
麦哲伦云的不老之谜
撰文｜肯·克罗斯韦尔（Ken Croswell）
翻译｜王栋
两个距银河系最近的卫星星系为什么能保持它们“青春的光芒”？来自哈勃空间望远镜的观测数据为我们提供了线索。
我们所处的星系——蕴含着数千亿颗恒星的银河系，不只是一个孤单飘浮在宇宙中的巨大星系，还是一个庞大的、绵亘100多万光年的巨大“星系帝国”的枢纽，控制着20多个较小的星系。这些较小星系环绕着银河系运转，就像众多卫星绕着一颗巨行星运转一样。
在银河系众多的卫星星系中，没有哪个能跟麦哲伦云相比。麦哲伦云是两个明亮的美丽星系，比银河系的其他所有“小跟班”都要亮得多。在南半球的夜空中，这两个兄弟星系如数片散发着光辉的迷雾。在天文学家眼中，它们的存在一直都是个谜。银河系的引力将其他所有卫星星系中能用来形成恒星的气体都掠夺了过来，那为什么只有大小麦哲伦云能够留住形成恒星所需的气体和尘埃，从而充满着明亮的年轻恒星，保持如此的光亮和美丽呢？
越来越多的证据显示，大小麦哲伦云的确十分“健康”。一直以来天文观测都表明，它们成功地避免了银河系对其内部气体的掠夺。2006年，后来任职于美国耶鲁大学的天文学家尼蒂娅·卡利瓦亚利尔（Nitya Kallivayalil）及其同事报告，根据哈勃空间望远镜的观测结果，大小麦哲伦云的运行轨道要比人们先前认为的大得多。在卡利瓦亚利尔的这一发现之前，天文学家认为大小麦哲伦云每10亿到20亿年绕银河系一周。现在看来，它们似乎需要至少40亿年甚至更久才能转完一周。2013年2月，卡利瓦亚利尔发表了哈勃空间望远镜的最新观测数据，并给出了大小麦哲伦云更精确的绕行路径，从而进一步支持了她最初的发现。现在看起来，大小麦哲伦云很可能还在绕行银河系的第一圈里，这就解释了它们为什么会散发着“年轻的光芒”。
然而，即便大小麦哲伦云的相互作用可以促进新的恒星产生，但仍有迹象表明，它们的壮丽光辉终有一天将会暗淡下去。美国哥伦比亚大学的天文学家格提娜·贝斯拉（Gurtina Besla）解释，大麦哲伦云会通过潮汐力从小麦哲伦云中吸取恒星和气体，让后者越发暗淡。她说：“我认为小麦哲伦云会逐渐变成一个球状矮星团。”球状矮星团是一种昏暗的、气体贫乏的天体，就像银河系的其他卫星星系一样。而幸运的是，这将是很久以后的事了。在这趟首次临近银河系的旅途中，大小麦哲伦云都还具有充足的气体来孕育明亮的新生恒星。在未来的数个世代里，它们还将继续点亮南半球的夜空。
照亮宇宙：大麦哲伦云中孕育着新的恒星。
低龄星系像蝌蚪
撰文｜肯·克罗斯韦尔（Ken Croswell）
翻译｜钱磊
奇异的蝌蚪星系展现出了银河系年轻时的样子。通过这个星系，天文学家也许可以了解银河系的恒星盘是如何形成的。
与大多数其他星系相比，仙女星系和银河系这样的巨型旋涡星系，往往质量更大，也更加明亮。这是因为它们会吞噬较小的星系，并从周围空间攫取气体。天文学家发现，一种奇异的蝌蚪状星系，可以揭示出银河系的明亮部分——恒星盘是如何形成的。
“蝌蚪星系”在20世纪90年代被首次发现。它们有一个明亮的大“脑袋”，那里面有大量闪亮的恒星；它们还拖着一条暗弱的长“尾巴”。大部分蝌蚪星系距离我们有数十亿光年，这意味着它们非常年轻。但对天文学家来说，想要研究这么遥远的星系，难度很大。
因此，西班牙加那利群岛天体物理学研究所的豪尔赫·桑切斯·阿尔梅达（Jorge Sánchez Almeida）和同事，把目光投向了7个罕见的蝌蚪星系。它们离我们比较近，与地球的距离都小于6亿光年。天文学家发现大多数蝌蚪星系像旋涡星系一样都在旋转。
天文学家还发现一个奇特的现象。在银河系中，氧元素充满了大部分中心区域。这里十分明亮，有很多恒星。在这些区域中，大质量恒星制造氧元素并在爆炸时将其释放。但是蝌蚪星系则相反：它们明亮头部中的氧元素，比暗弱尾部中的更少。“这非常奇怪。”桑切斯·阿尔梅达说。
天文学家借助古老的星际气体，解释了这一令人惊奇的发现，相关研究结果发表在2013年4月10日的《天体物理学杂志》上。宇宙大爆炸以来，星际气体几乎没有发生过变化。它们处于一种原始的状态，所含的元素比氧元素轻得多。按照天文学家的解释，大量这种含氧元素很少的气体进入一个初生星系盘后，形成了明亮的新恒星。这些恒星照亮了蝌蚪星系的头部，但是它们几乎不含氧元素。
如果这个想法是对的，这种奇异的星系就是名副其实的“蝌蚪”了——它们和蝌蚪一样，都是正在长大的新个体。
“银河系可能也经历过这个过程。”研究团队成员、国际商业机器公司研究院（IBM研究院）的布鲁斯·埃尔梅格林（Bruce Elmegreen）说。他认为蝌蚪星系向我们展示了这样的图景：数十亿年前，巨大的旋涡星系从蝌蚪星系周围聚集气体，形成旋转的恒星盘，并最终成长为银河系这样的超级星系。
星际气体哺育星系
撰文｜罗恩·考恩（Ron Cowen）
翻译｜王栋
天文学家无意中发现了星系迅速长大的线索。
早期宇宙中的年轻星系是如何壮大，变成我们今天看到的庞然大物的呢？10多年前，天文学家就提出过一种解释：在早期宇宙里，星系中的新生恒星通过吸收冰冷的星际气体来获得能量并不断壮大。以色列的天体物理学家阿维沙伊·德克尔（Avishai Dekel）发现，星际气体流就像“养分”输送管道，穿过新生星系的炽热气晕，为年轻星系提供成长所需的“养分”。但这种由冰冷气体构成的暗淡“细流”很难被观测到。
不过一个偶然的机会，宇宙中一条星系气体输送线露出了真容。德国的尼尔·克赖顿（Neil Crighton）和同事仔细研究了一个遥远、明亮的类星体。在宇宙仅约30亿岁时，该类星体发出的光在传向地球的途中照到了一个挡路的星系，其中一些特定波长的光被挡路星系吸收，留下了“养分”气体的光谱记号。
克赖顿在《天体物理学杂志通讯》上发表了这项研究结果。他介绍，环绕在那个年轻星系周围的气体具有猜想中的冷吸积流的所有特征，比如低温、高密度，而且除了宇宙大爆炸时形成的氢和氦外，气体中其他元素都很少。
不过德克尔认为，单单获得一次观测结果，还不能算是成功。他说：“要令人信服，我们必须观测到更多这类证据。”
幽灵般的后发星系团
撰文｜肯·克罗斯韦尔（Ken Croswell）
翻译｜李宁曦
蜻蜓长焦镜阵列拍摄到的后发星系团，看起来就像弥散在太空里的幽灵。这个幽灵般的星系团中包含的暗物质更为它增添了传奇色彩。
英文中的“星系”一词源于希腊语的“牛奶”。如果说我们通常所指的星系是“全脂牛奶”的话，那么还有一些星系，它们是完完全全的“脱脂牛奶”。
人们通过一个小型望远镜阵列无意中发现了47个超稀疏的星系。这些星系内恒星之间的距离如此之远，看起来就像弥散在太空里的幽灵。其中的几个星系所占据的空间与银河系相当，但包含的恒星数量却只有银河系的1/1,000，因此它们看起来相当暗淡。没人知道这些暗淡的星系是如何产生的。
天文学家通过位于美国新墨西哥州的蜻蜓长焦镜阵列对这些星系进行观测后，才对它们有了更深入的了解。加拿大多伦多大学的天文学家罗伯托·亚伯拉罕（Roberto Abraham）说：“我们总会情不自禁地去观测后发星系团。”后发星系团距离地球3.4亿光年，包含了数以千计的星系。上世纪30年代，天文学家首次在此探测到了暗物质，为这个遥远的星系团增添了传奇色彩。
蜻蜓长焦镜阵列记录到的影像果然不负众望。亚伯拉罕的研究团队从影像上辨认出了一些标志着大型稀疏星系的模糊斑块。幸运的是，哈勃空间望远镜在另一项与此无关的研究中，也观测到了这块区域，因此我们了解到了更多细节。这些星系看起来和银河系大不相同：它们有光滑的边界，看上去近似球形，却缺少形成恒星所需要的气体；它们很像矮椭球星系，但又比矮椭球星系大得多。上述发现发表在2015年1月的《天体物理学杂志通讯》上。
这些奇特而又难以探测的星系是如何形成的呢？该研究团队的成员、美国耶鲁大学的天文学家彼得·范多克姆（Pieter van Dokkum）认为，这些星系曾经也有机会变得如银河系般璀璨，但或许是由于超新星爆发，星系的气体在制造出大量恒星之前，就被驱散到了后发星系团中。而这些星系能保持如此稀疏的形态，没有被星系团内其他星系的引力撕裂，很可能是因为它们包含了大量的暗物质。
我们还无法测量出这些星系的质量，因此也就无法确切地知道它们包含了多少暗物质。但是美国亚利桑那大学的天文学家克里斯·英庇（Chris Impey）告诉我们，这些行星是天然的暗物质实验室。如果暗物质能发出宇宙射线，那我们就会在这些星系中观测到。
后发星系团（下图）中的某些星系如此稀疏，和草帽星系（上图）相比，它们实在暗淡得很。
水母星系源于星系团碰撞？
撰文｜肯·克罗斯韦尔（Ken Croswell）
翻译｜沈添怿
在浩瀚的宇宙中，游荡着一些形似水母的星系。这些罕见而美妙的水母星系是怎么诞生的？研究人员正在寻找答案。
与大海里有水母一样，广阔的太空中也有类似水母的星系游荡着。近些年来，天文学家注意到了一些旋涡星系，它们拖着由气体和年轻恒星构成的蓝色“卷须”，看起来就像水母一样。研究人员搜寻了更多相似的奇特星系，或将揭示它们的起源之谜。
为了定位这些水母状天体，美国夏威夷大学马诺分校的天文学家康纳·麦克帕特兰（Conor McPartland）、哈拉尔德·埃贝林（Harald Ebeling）和同事对63个星系团进行了搜索，那里炽热的气体中藏着无数巨大的星系。研究团队先前认为，如果旋涡星系不幸掉入星系团，星系团炽热的气体会剥去旋涡星系中的气体，形成孕育恒星的条带状区域。一些最明亮的年轻恒星会闪烁蓝光，这就是“水母触手”颜色的来源。通过搜索，研究团队一共找到了9个先前未被发现的水母星系。
但是，有些事情却出乎意料。埃贝林说：“这些水母星系没有朝星系团的中心运动，这一点非常有趣。”由于星系团引力的拉扯，这些水母星系本该朝着星系团的中心运动，而我们可以通过“水母触手”来判断其运动方向。但是这些水母星系却在向着不同方向运动。同样，水母星系的位置也很奇怪——它们都在星系团的外围。这些观察结果暗示，水母星系的诞生可能需要两个星系团的碰撞。在此过程中，一个星系团中高速运动的星系撞击并穿过了另一个星系团中的炽热气体。在此之后的混沌中，星系将朝着各个方向运动，而新的数据也体现了这一点。该研究成果刊登在2016年1月的《皇家天文学会月刊》上。
距我们2.2亿光年处，一个水母星系正在朝一点钟方向移动。
研究人员正计划检测水母星系所在的星系团气体，来验证他们的想法。星系团气体温度很高，会发射出X射线。而在星系团碰撞假说中，孕育水母星系的星系团与其他星系碰撞时，碰撞出的气体的温度应该是极高的。因此，如果对X射线的观察能够证实这一点，那么水母星系便是一场灾难的余波。
在剧烈的撞击之后，水母星系诞生了，它们终将失去全部气体，蜕变为椭圆星系——气体贫乏，没有绚丽旋臂来孕育恒星的平淡无奇的天体。
话题九 探索宇宙深处的秘密
神奇的宇宙以其无穷的魅力吸引着人们去探索。人们发送了各种探测器来捕捉来自宇宙的信号。从低频无线电波到引力波，从宇宙微波背景辐射到重子声波振荡，这些常常被人们忽略的信号中或许就隐藏着宇宙那些不为人知的秘密，等待人们去发现。
搜寻外星人信号
撰文｜蔡宙（Charles Q. Choi）
翻译｜王栋
通过探听宇宙深处的极微弱信号，科学家不但可以获得关于星系诞生的古老信息，还有可能发现地外文明。为了能够完成这项任务，几万部无线电天线被连接在一起，组成了功能强大的射电望远镜。
通过国际互联网，把44,000多部无线电天线连接起来，就组成了人类有史以来建造过的最壮观的射电望远镜之一。它的任务是扫描大部分尚未被监测的无线电频段，搜寻宇宙中诞生的第一批恒星和星系。并且，它还能寻找地外文明发出的无线电信号。
这个望远镜阵列用于监测低频无线电波——在宇宙最初的“黑暗时期”里，统治宇宙的低温氢气云辐射出的极微弱信号，就是这种电磁辐射的一个主要来源。一颗颗恒星由氢气云旋转汇聚形成，它们第一次照亮原本黑暗的宇宙，因而应该会在这片氢气云中留下片片“斑痕”。通过分析来自这种气体云的无线电信号随时间如何变化，科学家就能在很大程度上弄清楚，第一批星系是如何形成的。
这部低频阵列（LOFAR）由位于荷兰、德国、法国、瑞典和英国的48座观测站的天线组成，它们全部由光纤连接。国际LOFAR望远镜委员会主席海诺·法尔克（Heino Falcke）说，来自这些观测站的信号会汇总到一台超级计算机中，让这个望远镜阵列成为有史以来最复杂、最多能的射电望远镜。
LOFAR能在45天内，扫描整个北方天空，最大分辨率相当于一台直径620英里（约998千米）的望远镜。荷兰射电天文研究所的米海尔·怀斯（Michael Wise）说，LOFAR还具有可扩展性。也就是说，研究人员可以随时加入更多的观测站。
除此之外，LOFAR的反应速度也很快——它能测量到十亿分之五秒内发生的事件。由于LOFAR实际上是由许多射电望远镜组成的“网络”，这意味着它能同时承担数个不同的科研项目。
接下来的几年里，作为“地外文明探索”的一部分，该阵列还将扫描以前被忽略的低频区中的人造无线电辐射信号。
LOFAR在荷兰的观测站
绘制宇宙“地图”
撰文｜约翰·马特森（John Matson）
翻译｜王栋
想在太空遨游，一张宇宙“地图”必不可少。借助天文测绘得到的天体“地图”，我们不仅可以了解自己在宇宙中的确切位置，还可以获得数十亿个恒星和星系的详细位置。而随着更多新一代望远镜投入使用，天体“地图”的精度还将大幅度提高。
就像测绘员通过测量角度、距离和海拔来对一块土地进行绘图一样，天文学家长期以来也在为宇宙中的天体绘制能标明其位置的“地图”。
这些“地图”很快将迎来一次精度更高的改版。随着使用地面望远镜或探测飞船进行的太空观测活动越来越多，我们将获取许多新的细节。将所有这些研究项目汇总，我们将得到数十亿个恒星和星系的详细位置信息。
下一代空间望远镜“欧几里得”将通过为期6年的太空扫描，为多达20亿个星系绘制三维“地图”。这项任务由欧洲空间局批准，望远镜原计划于2020年发射升空。“欧几里得”将扫描大约三分之一的太空，以测量其中星系的位置和距离。人们希望，通过了解宇宙结构分布能够找到关于暗能量性质的某些线索。暗能量是驱动宇宙加速膨胀的关键，但至今人们还未能观测到。
于2013年发射的欧洲空间局“盖亚号”探测器，可以实现对局部天体图的显著改进。在抵达远超月球轨道的深空后，“盖亚号”探测器将为约10亿颗恒星绘制标明位置和距离的天体图。“‘盖亚号’的主要科学目标是解决我们银河系的结构和动力学问题。”欧洲空间局“盖亚号”项目的项目科学家蒂莫·普鲁斯蒂（Timo Prusti）解释。
同时在地面上，许多新的测量项目也在南半球纷纷上马。那里的天体图“绘图员”期待，他们得到的结果将能提供重要信息。作为参照，位于北半球的、所有天文测绘项目的“老前辈”——美国的斯隆数字化巡天项目已经详细绘制了超过100万个星系的三维“地图”，除此以外它还取得了许多其他成就。
“盖亚号”探测器将为约10亿颗恒星绘制三维天体位置图。
最有可能改写南半球天体测绘纪录的望远镜是位于智利的大口径全天巡视望远镜（LSST）。预计它于2022年投入使用后，将拥有一面8.4米口径的主镜（与之相比，斯隆数字化巡天使用的是2.5米望远镜），以及一部32亿像素的照相机。这部巨型望远镜将通过对太空每周一次的拍照来捕捉持续时间很短的现象，例如超新星爆发和有潜在威胁的近地小行星飞掠。在这一过程中，它还将为约40亿个星系标注三维坐标。
“盖亚号”：绘制银河系新图景
撰文｜香农·霍尔（Shannon Hall）
翻译｜张哲
新的探索任务已经启动。通过绘制高精度的银河系“地图”，天文学家可以更好地理解恒星物理学和银河系的历史。
天文学家将展开一幅新的宇宙图景。2013年底，欧洲空间局发射了“盖亚号”探测器。它将在为期5年的任务中，以前所未有的精度绘制宇宙星图，而它获得的第一批恒星坐标已经发布了。任务完成后，这幅星图将能以极高的分辨率，准确定位银河系及周边星系中约10亿颗恒星的位置，甚至能够辨认出5微角秒的物体，这相当于在地球上能看见月球表面的一枚硬币。“盖亚号”装备的10亿像素摄像机，还能够记录每颗行星的距离和二维速度，让我们有机会重新认识周边星系。
美国哥伦比亚大学的天文学家凯瑟琳·约翰斯顿（Kathryn V. Johnston）认为，绘制这幅星图的意义相当于首次描绘出了地球大陆的景象——把只有模糊的蓝、绿色块的图像，变成了一幅绘有山川溪谷的画面。“奇怪的是，人类对银河系并不比对其他星系了解得更详细，”约翰斯顿说，“这可能是因为我们身处银河系之中，无法给自己的星系拍一个全景。不过‘盖亚号’将完成这项任务。”
负责“盖亚号”项目的科学家蒂莫·普鲁斯蒂称，新星图备受关注，在2016年9月首批数据发布的当天，就至少有1万人访问了数据库。这批发布的数据中包含10亿颗恒星的初步位置，以及星空中最明亮的200万颗恒星的距离和侧向运动信息（后续数据发布后数字还会增加）。之后还会发布银河系中离我们更远的恒星的距离和运动数据，从而形成连续星图——以太阳为中心向外延展，就像池塘中的波纹一样从中心向外扩散出去。
目前已经有了很多发现。比如，“盖亚号”项目的科学家已经使用这些初步结果，解决了有关昂星团（著名的“七姐妹星团”）距离的争论。这个争论源于“盖亚号”的“前任”——“依巴谷”卫星任务发布的最后一批数据。这些数据非常重要，因为如果没有距离，天文学家就无法确定任何恒星的亮度或半径。不过，对昴星团测量的准确性同样重要（“依巴谷”的测定值是错误的），因为昴星团是理解恒星起源的基准星团。普鲁斯蒂称：“建立关于年轻恒星的理论非常困难，因为它们并不稳定，有多种可能的变化。因此需要保证观测的准确性，以建立更精确的模型。”
其他研究团队也在使用这些新的数据，研究一些不同寻常的恒星（比如看起来特别亮或特别暗的恒星，以及移动速度特别快或特别慢的恒星）。美国普林斯顿大学的天文学家戴维·斯珀格尔说：“天文学家认为自己已经很了解恒星运动。但我怀疑，随着更精确数据的发布，我们也许会发现一些在大方向上没问题，但在细节方面会颠覆我们认知的内容。”行星科学家对“盖亚号”发布的数据也非常感兴趣，因为他们需要寻找有行星的恒星。尽管“盖亚号”还没有发现任何这样的恒星，但科学家希望，它最终可以发现数千甚至数万颗这样的恒星。
