暗物质是宇宙中看不见的“粘合剂”，其性质和行为仍笼罩在神秘之中。尽管星系主要由暗物质组成，但了解暗物质在星系中的分布情况，可以为这种物质是什么以及它与星系演化有何关系提供线索。

虽然计算机模拟表明暗物质应该堆积在星系中心，即密度尖点，但之前的许多望远镜观测表明，暗物质在整个星系中分布得更均匀。模型和观测之间这种矛盾的原因继续困扰着天文学家，这进一步加深了暗物质的神秘性。

一组天文学家转向 NASA 的 哈勃太空望远镜 ，试图通过测量距离地球约 25 万光年的天龙座矮星系内恒星的动态运动来澄清这一争论。通过长达 18 年的观测，他们成功地建立了对这个小星系内恒星运动的最精确的三维理解。这需要仔细研究哈勃近二十年来对天龙座星系的档案观测。

“我们的模型更倾向于采用尖点状结构，这与宇宙学模型相一致，”巴尔的摩太空望远镜科学研究所 (STScI) 的 Eduardo Vitral 说道，他也是这项研究的主要作者。“虽然我们不能明确地说所有星系都包含尖点状暗物质分布，但拥有如此精确测量的数据，超越我们之前的任何数据，令人兴奋不已。”

绘制恒星运动图

要了解星系内的暗物质，科学家可以观察星系中的恒星及其受暗物质拉力控制的运动。测量太空中物体​​移动速度的常用方法是利用多普勒效应——当恒星接近或远离地球时，可以观察到光波长的变化。虽然这种视线速度可以提供有价值的见解，但从这种一维信息源中只能收集到有限的信息。

除了靠近或远离我们以外，恒星还会在天空中移动，这可以通过测量其自运动来衡量。通过将视线速度与自运动相结合，该团队对恒星的三维运动进行了前所未有的分析。

“数据的改进和模型的改进通常是齐头并进的，”STScI 的 Roeland van der Marel 解释说，他是该论文的合著者，在 10 多年前发起了这项研究。“如果你没有非常复杂的数据或只有一维数据，那么相对简单的模型通常可以适用。你收集的数据维度和复杂性越高，你的模型就需要越复杂，才能真正捕捉到数据的所有细微差别。”

科学马拉松(不是短跑)

由于已知矮星系比其他类型的星系具有更高比例的暗物质含量，因此研究小组将注意力集中在天龙座矮星系上，它是银河系附近的一个相对较小的球状卫星星系。

“测量自行时，你会记录下某一时期恒星的位置，然后在多年后测量同一颗恒星的位置。通过测量位移来确定它移动了多少，”STScI 的 Sangmo Tony Sohn 解释说，他是该论文的另一位合著者，也是最新观测项目的首席研究员。“对于这种观测，等待的时间越长，测量恒星移动的效果就越好。”

该团队分析了从 2004 年到 2022 年的一系列时期，这是只有哈勃望远镜才能提供的广泛基线，因为它结合了清晰稳定的视野和创纪录的运行时间。该望远镜丰富的数据档案有助于降低测量恒星自运动的不确定性。其精度相当于测量从地球上看到的略小于月球上高尔夫球宽度的年度位移。

利用三维数据，研究小组减少了之前研究中应用的假设数量，并在自己的建模工作中考虑了该星系特有的特征，例如其旋转、恒星和暗物质的分布。

令人兴奋的未来

为天龙座矮星系开发的方法和模型将来可以应用于其他星系。该团队已经在分析哈勃对玉夫座矮星系和小熊座矮星系的观测结果。

研究暗物质需要观察不同的星系环境，也需要不同太空望远镜任务之间的合作。例如，NASA 即将发射的 南希·格雷斯·罗曼太空望远镜将 凭借其对大片天空进行勘测的能力， 帮助揭示 不同星系中暗物质特性的新细节。

“这种研究是一项长期投资，需要很大的耐心，”维特拉尔表示。“我们之所以能够进行这项科学研究，是因为我们多年来一直在规划收集这些数据。我们收集到的见解是多年来一直致力于这些研究的大型研究人员的成果。”

这些 结果已被 《 天体物理学杂志》接受发表。

哈勃太空望远镜已运行三十多年，并不断取得突破性发现，这些发现塑造了我们对宇宙的基本理解。哈勃望远镜是美国宇航局 (NASA) 和欧洲航天局 (ESA) 之间的国际合作项目。位于马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心负责管理望远镜和任务运营。总部位于科罗拉多州丹佛的洛克希德马丁航天公司也支持戈达德的任务运营。由天文学研究大学协会运营的马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所 (STScI) 负责为 NASA 开展哈勃科学运营。