在探索宇宙奥秘的征程中，詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST）自2022年正式开启科学运行以来，已在诸多领域取得令人瞩目的成果，尤其是在展现宇宙早期历史方面。不过，对于神秘莫测的暗物质，它此前似乎一直未能给出直接答案。但近期一项研究显示，JWST或许正以一种意想不到的方式，为解开暗物质谜团提供关键线索。
暗物质之所以成为科学界的“老大难”问题，根本在于它几乎不与电磁辐射（光）发生相互作用，即便有作用也极其微弱。这使得科学家无法像研究普通物质那样直接对其进行探测。这一特性也暗示，暗物质并非由构成恒星、行星以及我们日常世界所熟悉的质子、中子和电子组成。尽管数十年来理论物理学提出了多种暗物质候选粒子，但目前这些都还只是停留在假设层面。科学家只能通过暗物质的引力效应来间接推断其存在，比如观察它如何影响时空结构，进而影响普通物质和光的分布。
12月8日，《自然・天文学》期刊上发表的一项研究带来了新希望。该研究指出，JWST观测到的一些早期年轻星系呈现出异常的拉长、细丝状形态，这很可能就是暗物质引力特性在宇宙早期留下的独特“印记”。对这类星系形态的深入研究，有望帮助科学家筛选出最有可能构成暗物质的粒子类型。
研究团队介绍，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，恒星在这些团块中诞生，随后在引力作用下逐渐合并，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。这些结构并非传统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，这与一种具有量子行为的超轻暗物质粒子的预期更为相符。
在传统的宇宙学模拟里，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将观测视野拓展到宇宙极早期，天文学家发现越来越多的细长、丝状年轻星系，这类结构在标准模型的模拟中很难自然出现。
为了解释这一现象，研究团队对比了多种不同暗物质假设下的宇宙演化模拟，重点关注了区别于标准“Λ冷暗物质模型”（ΛCDM）的情况。结果发现，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吻合。
研究负责人、来自多诺斯蒂亚国际物理中心的阿尔瓦罗・波索解释说，如果超轻轴子粒子构成暗物质，其量子波动特性会阻止小至数光年尺度的结构在早期形成，进而促成大尺度上连续、平滑的丝状分布。在这种结构中，气体和恒星会逐渐沿着暗物质丝流动，最终形成拉长的星系形态。
模拟还显示，“暖暗物质”情景也可能产生类似效果。例如，速度相对更快的暗物质粒子（如惰性中微子）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，它们的共同点在于都能自然解释JWST发现的这些非典型星系形态。
