自2013年發射以來，歐洲航天局的蓋亞探測器一直被譽為一項註定要改變我們對銀河系理解的任務。蓋亞的主要目的是追蹤超過十億顆恆星的位置、運動、亮度和顏色，從而建立銀河系的動態三維地圖，這將成為未來幾代人銀河星圖繪製的標準。
但隨著該任務最新的資料目錄於去年四月釋出，天文學家們也正在利用蓋亞的精確測繪來推斷更多關於瀰漫宇宙的神秘暗物質的本質。“蓋亞的建造目的是測量我們星系的結構，”哥倫比亞大學的天文學家凱瑟琳·約翰斯頓（Kathryn Johnston）說，她曾使用過新的蓋亞資料。“但第一個關鍵且最令人興奮的結果與全域性結構無關——它們是關於預期結構之上的異常現象。”
像大多數大型星系一樣，銀河系透過吞噬不幸的較小鄰居而成長——其中一些仍在被“消化”，緩慢地融入我們星系的主流結構。來自銀河系貪婪的這些殘骸都出現在蓋亞最新的資料釋出中，表現為引力擾動結構，例如恆星流、碎片場和超彌散矮星系——每個都與其自身的暗物質隨行人員相關聯，蓋亞的精確測量獨特地定位於揭示這些暗物質。
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在某些方面，這些研究與1930年代首次揭示暗物質存在的那些研究幾乎沒有區別。天文學家觀察到，其他星系外圍的恆星以比預期快得多的速度旋轉，就好像它們不僅受到星系可見內容（恆星、氣體和塵埃）的集體引力牽引，而且還受到周圍“光環”的不可見物質的影響。數十年的進一步研究幾乎證實，星系巢狀在這樣的暗物質暈中，這些暗物質暈延伸到比星系最遙遠的恆星遠10倍的地方。然而，暗物質在星系內的分佈，尤其是朝著星系中心的方向，仍然很大程度上是未知的。
揭開暗物質在星系內普遍存在的更精細細節，可能會揭開銀河系本身最初是如何形成的序幕，這反過來又可以檢驗研究人員關於星系形成和演化的最佳模型。這些模型表明，星系是在引力放大了早期宇宙中瀰漫的原始氣體的密度輕微波動時形成的，導致這些區域變得越來越密集，直到恆星、星系和星系團出現。至關重要的是，這種情況也要求密度較低的區域變得更不密集，導致許多區域無法形成恆星。然而，這些無星區域應該仍然包含大約一億倍太陽質量的暗物質。
團塊和星流
從未直接觀察到過這樣的團塊，但它們的存在散佈在星系外部是宇宙學的一個關鍵預測。發現一個團塊將大大有助於表明我們對早期宇宙的理解是正確的——這正是蓋亞對銀河系暗物質暈內邊緣恆星的觀測可能提供的。暈中充滿了球狀星團——圍繞我們星系執行的小而密集的古老恆星群。
偶爾，一個星團可能會過於靠近另一個星團，並將其送向銀河系中心。當它墜落時，引力對其前導側的拉力大於其尾隨側，將星團拉伸成數千光年長的“潮汐流”。從星暈的漫長墜落過程中，這樣的星流可能會遇到並與一個或多個暗物質團塊相互作用。“對於測試小尺度暗物質亞暈（團塊）的存在，星流是最有希望的方向之一，”普林斯頓大學的天文學家阿德里安·普萊斯-惠蘭（Adrian Price-Whelan）說。普萊斯-惠蘭與哈佛大學的天文學家安娜·博納卡（Ana Bonaca）合作，篩選了蓋亞的新鮮資料，尋找這種相互作用，重點關注銀河系最長、最古老的潮汐流之一，一條被稱為GD-1的恆星帶，從星暈高處墜落到銀盤之上。
蓋亞使普萊斯-惠蘭和博納卡能夠自信地將屬於GD-1的恆星與銀河系中的前景恆星分開，明確地揭示了星流中存在多個缺口，以及一個前所未見的新特徵：一個某種程度上被推出主軌道的支狀分支恆星。單個缺口很容易歸因於與另一個球狀星團的相互作用，但多個缺口以及一個分支表明，星流與一個非常密集和緊湊的物體相互作用，該物體的質量範圍在一百萬到一億個太陽質量之間——正好是假定的在星暈中翱翔的暗物質團塊的質量範圍。然後，博納卡領導的一個團隊追溯了GD-1從星暈的墜落軌跡，在看似空曠的空間中搜尋任何其他可能導致缺口和分支的物體。那次搜尋一無所獲，使暗物質成為目前最可能的答案。“作者令人信服地表明，這個分支可以歸因於一個看不見的暗物質團塊以某種速度掠過星流，扭曲了它的路徑，”約翰斯頓說。“這些暗物質團塊在這樣的質量尺度上被理論化存在，但這是迄今為止我們探測到它們存在的最有力的證據。”
彌散矮星系
GD-1星流直接位於銀河系盤上方，因此非常容易看到，而使用蓋亞的研究人員在最難研究的區域之一發現了另一個奇怪的結構：我們星系的遠側，從我們太陽系的角度來看，位於銀河系恆星密集的盤的另一側。加布裡埃爾·託雷阿爾巴（Gabriel Torrealba）是臺灣天文與天體物理研究所的天文學家，他與同事合作，利用蓋亞資料穿透星盤，尋找銀河系遠側以前未知的衛星星系。蓋亞的精湛測量使該團隊能夠識別並篩選掉星盤中介於兩者之間的恆星群，從而揭示它們之外的東西。他們發現的是Antlia 2 (Ant 2)——有史以來探測到的銀河系最彌散的伴星系。
Ant 2 被稱為“幽靈星系”，其亮度約為其他同等大小的衛星星系的三分之一，但比迄今已知的大多數其他暗淡星系都大。Ant 2 的恆星非常分散，天文學家很難解釋它的存在。“Ant 2 相當出乎意料，”約翰斯頓說。“我很驚訝如此彌散的星系能夠在銀河系周圍存活下來。”為了理解 Ant 2 是如何形成的，託雷阿爾巴和他的團隊將注意力轉向了它潛在的暗物質庫存。
衛星星系被認為嵌入在它們自己的暗物質暈中，當衛星星系落入像銀河系這樣更大的星系時，這些暗物質暈應該會從外向內逐漸剝離。託雷阿爾巴和他的同事懷疑 Ant 2 之所以如此彌散，是因為它極度缺乏暗物質；如果這是真的，再加上 Ant 2 在我們星系外圍的位置，這將表明這個幽靈星系可能已經圍繞銀河系運行了好幾次，並且已經處於吸收的最後階段，在此之前，它的大部分暗物質已經在早期的執行中被虹吸走了。事實上，託雷阿爾巴猜測它將在下一次執行中完全解體。
對於希望透過引力相互作用以外的方法探測暗物質的實驗主義者來說，Ant 2 明顯缺乏暗物質可能被證明是一個額外的好處。例如，關於暗物質物理身份的主流理論是，它由假設的弱相互作用大質量粒子 (WIMP) 組成。如果並且當 WIMP 在宇宙中的某個地方相互碰撞時，它們應該會以伽馬射線爆發的形式湮滅。託雷阿爾巴和他的同事認為，儘管 Ant 2 可能被剝奪了暗物質，但它仍然比其他可能透過各種更傳統的天體物理過程產生伽馬射線的恆星和氣體更貧乏——因此，如果觀察到任何來自這個幽靈星系的伽馬射線，它們可能歸因於暗物質。將這一點擴充套件到其他最近發現的超彌散星系，我們可能會發現它們共同構成了一種新的、前所未有的探測器，用於尋找 WIMP 和其他各種假設的暗物質粒子。
碎片場
幸運的是，我們可能不必一直凝視整個星系來檢驗我們的暗物質假設。由於蓋亞最近發現的銀河系中更古老的星系合併事件，我們可以在我們自己的“鄰域”中尋找它的跡象，即包含我們太陽系的銀盤部分。
就在一年多前，劍橋大學的天文學家瓦西里·貝洛庫羅夫（Vasily Belokurov）和託雷阿爾巴在 Ant 2 上的合著者，在早期的蓋亞資料中發現了跡象，表明銀河系很久以前經歷了一次與其自身大小相當的星系的主要合併事件。由於它是使用蓋亞資料發現的，他將這個龐大的星系入侵者暱稱為蓋亞香腸。它帶入銀河系的數十億顆恆星中，有些現在聚集在我們太陽系的銀河後院，也許它們相關的暗物質就潛伏在附近。但是，儘管我們可以識別出蓋亞香腸合併事件貢獻的可見物質的碎片場，但要確定隨之而來的暗物質已被證明是一項具有挑戰性的任務。
加州理工學院的天文學家莉娜·內西布（Lina Necib）希望使之變得更容易。使用計算機模擬，她和她的團隊模擬了可見物質和暗物質的共同演化，來自兩個合併星系，就像蓋亞香腸和銀河系一樣，看看兩種不同的物質型別是否最終具有相似的分佈。他們的結果表明——儘管可見物質在隨後的星系範圍物質重新分佈中落後於暗物質——但在合併結束時，兩種物質型別都以相似的相關速度呼嘯而過。對於內西布和她的團隊來說，這種相關性意味著應該可以使用與蓋亞香腸相關的恆星、氣體和塵埃來追蹤其相應暗物質的分佈。“能夠使用恆星對應物來追蹤最近合併事件中的暗物質成分是巨大的！”內西布說。如此靠近的暗物質儲藏庫對於使用伽馬射線測試直接探測實驗可能更有用，就像 Ant 2 一樣。
感謝蓋亞，天文學家們正在積累一系列技術來探測我們的星系、暗物質以及所有的一切，從而建立一個新的工具集，用以證實或排除一些描述這種最難以捉摸的物質的眾多理論。GD-1 是大約三十個星流之一，Ant 2 是大約六十個銀河系衛星星系之一，太陽鄰域只是與蓋亞香腸相關的碎片場之一——所有這些都可能只是各自類別的冰山一角，從而導致對不僅是個體結構，而且是對其整體種群的新研究。蓋亞的任務尚未完成——它計劃收集資料到 2020 年，並且看起來足夠健康，可以繼續執行到下一個十年的中期。但它的遺產——揭示暗物質在銀河系迄今為止隱藏的歷史篇章中的作用——已經非常清晰。