在寻找暗物质时，天文学家必须进行一种“幽灵搜寻”。那是因为暗物质是一种看不见的物质，不能被直接看到。然而，它构成了宇宙质量的大部分，并形成了星系形成的框架。暗物质是把星系和星系团聚集在一起的引力“胶水”。天文学家可以通过测量它的引力如何影响恒星和星系来间接地探测到它的存在。
这种神秘的物质与构成恒星、行星和人类的物质不同。这种物质是正常的重子物质，由电子、质子和中子组成。然而，暗物质可能是某种未知的亚原子粒子，与正常物质的相互作用很弱。
一个流行的理论认为暗物质粒子的移动速度不是很快，这使得它们更容易聚集在一起。根据这个理论，宇宙中暗物质的浓度范围很广，从小到大。
天文学家已经探测到暗物质聚集在大星系和中型星系周围。现在，利用哈勃望远镜和一项新的观测技术，天文学家发现暗物质形成的团块比以前所知的要小得多。
研究人员通过测量来自遥远类星体的光在太空中传播时是如何受到影响的，在哈勃的数据中寻找暗物质的小浓度。类星体是非常遥远的星系中明亮的黑洞驱动的核心。哈勃图像显示，来自这些类星体图像的光线被巨大前景星系的引力扭曲和放大，这种效应被称为引力透镜效应。天文学家利用这种透镜效应来探测小的暗物质团块。这些团块位于望远镜观测到类星体的视线范围内，以及前景透镜星系的内部和周围。
利用美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜和一项新的观测技术，天文学家发现暗物质形成的团块比以前所知的要小得多。这个结果证实了被广泛接受的“冷暗物质”理论的一个基本预测。
根据这个理论，所有的星系都形成并嵌入在暗物质云中。暗物质本身由缓慢移动的或“冷”粒子组成，它们聚集在一起形成的结构，从质量是银河系几十万倍的，到质量不超过商用飞机重量的团块。(在这里，“冷”指的是粒子的速度。)
哈勃的观测使我们对暗物质的性质和它的活动方式有了新的认识。“我们对冷暗物质模型做了一个非常引人注目的观察测试，它通过得非常好，”加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Tommaso Treu说，他是观察小组的成员之一。
暗物质是一种看不见的物质，它构成了宇宙的大部分质量，并为星系的形成提供了基础。虽然天文学家看不见暗物质，但他们可以通过测量它的引力如何影响恒星和星系来间接地探测到它的存在。通过寻找嵌入的恒星来探测最小的暗物质结构可能是困难的或不可能的，因为它们包含的恒星很少。
虽然在大星系和中型星系周围已经发现了暗物质的聚集，但是到目前为止还没有发现更小的暗物质团块。在缺乏观测证据的情况下，一些研究人员提出了替代理论，包括“暖暗物质”。这一观点表明暗物质粒子正在快速移动，速度太快，无法合并形成更小的浓度。新的观测结果并不支持这一假设，发现暗物质比温暖暗物质替代理论认为的“更冷”。
“暗物质比我们在小尺度上所知道的要冷，”位于加州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室的Anna Nierenberg说。“天文学家以前已经对暗物质理论进行了其他的观察性测试，但是我们的实验为小块冷暗物质的存在提供了迄今为止最有力的证据。”通过结合最新的理论预测、统计工具和新的哈勃观测，我们现在得到了比以前可能得到的更可靠的结果。”
寻找缺乏恒星的暗物质是一项艰巨的任务。然而，哈勃研究小组使用了一种技术，他们不需要寻找恒星作为暗物质示踪剂的引力影响。研究小组瞄准了8个强大而遥远的宇宙“街灯”，这些“街灯”被称为类星体(活跃的黑洞周围发出大量光的区域)。天文学家们测量了在每个类星体的黑洞轨道上运行的氧气和氖气体发出的光是如何被一个巨大的前景星系的引力扭曲的，这个星系就像一个放大镜。
利用这种方法，研究小组发现了暗物质沿着望远镜的视线聚集到类星体，以及在中间的透镜星系内部和周围。哈勃探测到的暗物质浓度是银河系暗物质晕质量的1/ 10000到1/ 100000倍。许多这些微小的星系群很可能甚至不包含小星系，因此用传统的寻找嵌入恒星的方法是不可能探测到它们的。
8个类星体和星系排列得如此精确，以至于被称为引力透镜效应的翘曲效应产生了每个类星体的4张扭曲图像。这种效果就像是在照镜子。由于前景星系和背景类星体之间需要近乎精确的对齐，这样的四倍类星体图像是罕见的。然而，研究人员需要多幅图像来进行更详细的分析。
暗物质团块的存在改变了每个扭曲的类星体图像的表观亮度和位置。天文学家将这些测量结果与类星体图像在没有暗物质影响的情况下的样子进行了比较。研究人员利用这些测量数据来计算微小暗物质浓度的质量。为了分析数据，研究人员还开发了复杂的计算程序和密集的重建技术。
“想象一下，这八个星系中的每一个都是一个巨大的放大镜，”加州大学洛杉矶分校的研究小组成员丹尼尔·吉尔曼解释说。“小的暗物质团块就像放大镜上的小裂缝，改变了四张类星体图像的亮度和位置，如果你看到的是光滑的玻璃，那么你就能看到它们了。”
研究人员利用哈勃的广角相机3号捕捉到每个类星体发出的近红外光，并将其分散成不同的颜色，用光谱学进行研究。背景类星体独特的发射物在红外线下最容易被看到。“哈勃的太空观测使我们能够在星系系统中进行这些测量，而这些测量是用较低分辨率的地面望远镜无法实现的，而地球的大气层对于我们需要观测的红外光是不透明的，”加州大学洛杉矶分校的研究小组成员Simon Birrer解释说。
特鲁补充说:“令人难以置信的是，经过近30年的运行，哈勃望远镜使我们能够对基础物理学和宇宙的本质进行前沿观察，这是我们在发射哈勃望远镜时做梦也没想到的。”
引力透镜是通过筛选地面调查发现的，如斯隆数字天空调查和暗能量调查，它们提供了迄今为止最详细的宇宙三维地图。类星体距离地球约100亿光年;前景星系，大约20亿光年。
研究中发现的小结构的数量为暗物质的性质提供了更多的线索。尼伦伯格解释说:“暗物质的粒子特性会影响形成多少块。”“这意味着你可以通过计算小团块的数量来了解暗物质的粒子物理学。”
然而，构成暗物质的粒子类型仍然是个谜。“目前，实验室里还没有直接的证据表明暗物质粒子的存在，”Birrer说。“如果宇宙学家根据对暗物质影响的观察，不说暗物质的存在，粒子物理学家甚至不会谈论暗物质。当我们宇宙学家谈论暗物质时，我们是在问，‘它是如何支配宇宙的外观的，又是在什么尺度上的?’”
天文学家将能够使用未来的NASA太空望远镜，如詹姆斯·韦伯太空望远镜和广域红外探测望远镜(WFIRST)，对暗物质进行后续研究。韦伯将能够有效地获得所有已知的四透镜类星体的这些测量数据。WFIRST望远镜的清晰度和大视场将有助于天文学家对整个空间区域进行观测，这些区域受到大质量星系和星系团的巨大引力场的影响。这将有助于研究人员发现更多这样的稀有系统。
研究小组将在夏威夷檀香山召开的美国天文学会第235届会议上公布他们的研究结果。
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