雖然天文學家只是逐漸認識到暗物質在宇宙中的重要性，但對我個人而言，這卻發生在瞬間。1978年，我在加州大學伯克利分校做博士後期間的第一個專案是測量銀河系盤外圍區域恆星形成巨分子云的旋轉速度。我研究出了當時最精確的確定這些速度的方法，然後坐在天文系的休息室裡，開始（用手在座標紙上）繪製結果。銀河系方面的另外兩位專家，弗蘭克·舒和伊萬·金，碰巧路過。他們看著我填寫最外層雲的速度，我們看到的模式立刻清楚地表明，銀河系充滿了暗物質，尤其是在其最外圍部分。我們坐下來抓耳撓腮，想象著暗物質的本質可能是什麼，我們想出的所有想法很快就被證明是錯誤的。
這項研究是20世紀70年代和80年代眾多研究之一，迫使天文學家得出結論：暗物質——一種既不發射也不吸收光，僅透過其引力影響顯現自身的神秘物質——不僅存在，而且是宇宙中主要的物質組成部分。WMAP航天器的測量證實，暗物質的質量是普通物質（質子、中子、電子等等）的五倍。這種物質到底是什麼仍然像以往一樣難以捉摸。最保守的假設提出暗物質由一種尚未在粒子加速器中探測到的奇異粒子組成，這種粒子是由尚未得到證實的物質理論預測的，這衡量了我們的無知程度。最激進的假設是，牛頓的萬有引力定律和愛因斯坦的廣義相對論是錯誤的，或者至少需要令人不快的修改。
無論其本質如何，暗物質已經為解開關於銀河系如何形成某些特徵的一些長期存在的謎題提供了鑰匙。例如，天文學家已經知道50多年了，銀河系的外圍部分像放在加熱器上的黑膠唱片一樣是扭曲的。他們無法為這種扭曲建立可行的模型——直到他們考慮了暗物質的影響。同樣，基於暗物質的假定屬性的星系形成計算機模擬預測，我們的星系周圍應該環繞著數百甚至數千個小型衛星星系。然而，觀測者只看到了大約二十幾個。這種差異導致人們質疑暗物質是否具有他們認為的屬性。但在最近幾年，幾個天文學家小組發現了大量的矮衛星，縮小了這種差距。這些新發現的衛星不僅有助於解決星系結構的長期謎團，還可能教會我們一些關於宇宙物質總量的知識。
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考慮扭曲
瞭解暗物質告訴我們關於銀河系的第一步是大致瞭解星系的組織方式。普通物質——恆星和氣體——存在於四個主要結構中：薄盤（包括風車狀的螺旋圖案和太陽的位置）、緻密的核（也容納著一個超大質量黑洞）、被稱為棒狀體的細長凸起，以及包圍星系其餘部分的老恆星和星團的球狀“暈”。暗物質的排列方式非常不同。雖然我們看不見它，但我們從恆星和氣體的旋轉速度推斷出它的位置；它對可見物質的引力效應表明，它大致呈球形分佈，並遠遠超出恆星暈，密度在中心最高，並大致隨著距中心距離的平方而下降。這種分佈將是天文學家所謂的層級合併的自然結果：即在早期宇宙中，較小的星系吸積形成較大的星系，包括銀河系。
多年來，天文學家對暗物質的基本認識僅限於將其視為一個巨大的、未分化的、身份不明的物質球。然而，在過去的幾年裡，我們設法收集了更多細節，並且暗物質被證明比我們懷疑的更有趣。各種證據表明，這種物質並非均勻分佈，而是具有一定程度的大尺度塊狀性。
這種不均勻性可以解釋銀河系扭曲的存在和大小。當天文學家說星系是扭曲的時，我們指的是星系盤外圍的特定變形。在距中心約50,000光年以外的距離，星系盤幾乎完全由原子氫氣組成，只有少量恆星。透過射電望遠鏡繪製，氣體並不位於星系平面上；你走得越遠，它偏離得就越多。到大約75,000光年的距離時，星系盤已經彎曲出平面約7,500光年。
顯然，當星系盤內的氣體圍繞銀河系中心旋轉時，它也會在平面內和平面外上下振盪。這些振盪發生在數億年的時間裡，我們捕捉到它們週期中的一個瞬間。本質上，氣體盤就像一個以慢動作振動的巨型鑼。像鑼一樣，它可以以多種頻率振動，每種頻率對應於表面的某種形狀。2005年，我和我的同事表明，觀測到的扭曲是這三種頻率的總和。（最低頻率比中央C低64個八度。）總體效果是不對稱的：星系一側的氣體比另一側的氣體離平面遠得多。
在20世紀50年代首次注意到扭曲的射電天文學家認為，這可能是由麥哲倫星雲（圍繞銀河系執行的最 массивные 星系）施加的引力造成的。由於這些衛星星系在銀河系平面外軌道執行，它們的引力傾向於使星系盤變形。然而，詳細的計算表明，這些力太弱，無法解釋這種效應，因為麥哲倫星雲與銀河系相比微不足道。幾十年來，明顯的扭曲的原因仍然是一個未解決的問題。
暗物質錘
認識到銀河系包含暗物質，以及對麥哲倫星雲質量的新估計（表明它們比想象的更 массивные ），提出了一個新的可能性。如果氣體盤像一個巨型鑼一樣，那麼麥哲倫星雲在暗物質暈中的軌道可以像一個錘子敲擊鑼一樣，發出其自然音符或共振頻率，儘管不是直接的。星雲在暗物質中產生一個尾跡，就像船犁過水麵時形成尾跡一樣。透過這種方式，星雲在暗物質的分佈中產生一些不均勻性。反過來，這就像錘子一樣，導致低質量的星系盤外圍部分發出響聲。結果是，即使麥哲倫星雲微不足道，暗物質也極大地放大了它們的影響。
馬薩諸塞大學阿默斯特分校的馬丁·D·溫伯格在1998年提出了這個總體思路。後來我和他將其應用於銀河系的觀測，發現我們可以重現氣體盤的三種振動模式。如果該理論是正確的，那麼扭曲是銀河系的一個活躍特徵，其形狀隨著麥哲倫星雲在其軌道上的移動而不斷變化。星系的形狀不是固定的，而是不斷變化的。[編者注：此過程的影片可在www.ScientificAmerican.com/oct2011/blitz觀看。]
扭曲並不是銀河系形狀中唯一的非對稱性。最引人注目的之一是外圍氣體盤的不對稱厚度，這也是使用射電望遠鏡發現的。如果從太陽到銀河系中心畫一條線並向外延伸，人們會發現這條線一側的氣體層厚度平均約為另一側的兩倍。這種大的不對稱性在動力學上是不穩定的，如果聽之任之，它會趨於自我糾正；它的永續性需要某種機制來維持它。30年來，天文學家都知道這個問題，但將其掩蓋起來。他們只是在最近才重新審視它，當時一項大大改進的新銀河系原子氫調查，加上對氣體非圓形運動的更好理解，使得這種不對稱性不再可能被忽視。
兩種主要的解釋都涉及暗物質。要麼銀河系是球形的，但其中心與暗物質暈不同心，要麼如馬克斯·普朗克地外物理研究所（位於加興）的卡納克·薩哈和幾位合作者最近提出的那樣，暗物質暈本身就有些不對稱。兩者都質疑天文學家過去認為銀河系和暈是從單一巨大的物質雲凝聚而成的觀點；如果是這樣，普通物質和暗物質應該以同一點為中心。因此，這種不對稱性進一步證明了星系是由較小單元合併形成的，或者透過持續合併或吸積星系際氣體而增長——這些過程不一定是對稱的。星系的中心可能與暗物質的中心偏移，因為氣體、恆星和暗物質的行為方式不同。
檢驗這一想法的一種方法是研究延伸穿過星系外圍區域的細長恆星流。這些結構是以前衛星星系的細長遺蹟。在圍繞銀河系系統執行的星系中最常見的一種被稱為矮球狀星系，因為它呈圓形且恆星質量小——通常只有銀河系的萬分之一左右。隨著時間的推移，它的軌道衰減，衛星受到銀河系潮汐力的作用。這些力與月球在地球上產生的力相同，當我們的星球旋轉時，拉伸地球上的水體，產生每天兩次的海洋潮汐。矮星系被拉伸出來，可以被簡化為一條細帶[參見羅德里戈·伊巴塔和布拉德·吉布森的“星系幽靈往事”；大眾科學，2007年4月]。
由於這些星流中的恆星在很遠的距離上圍繞星系執行，在這些距離上，暗物質的引力效應很大，因此星流的形狀探測了暈的形狀。如果暈不是完全球形的，而是有些扁平，它將對星流中恆星的軌道施加扭矩，並導致與大圓的明顯偏差。碰巧的是，觀測到星流非常細，並且它們圍繞星系的軌道幾乎是大圓。因此，伊巴塔及其同事的計算機模擬表明，暗物質分佈接近球形，儘管它可能仍然像薩哈及其同事提出的那樣不對稱。
星系消失
如果矮星系的毀滅引發了問題，那麼它們的形成也是如此。在我們當前的模型中，星系開始於暗物質的聚集，然後吸積氣體和恆星以形成其可見部分。這個過程不僅產生了像我們這樣的大型星系，而且還產生了大量的矮星系。這些模型大致正確地預測了這些矮星系的屬性，但預測的數量遠多於觀測者看到的數量。錯誤在於模型還是觀測？
部分答案來自對斯隆數字巡天（對大約四分之一的天空進行的系統掃描）的新分析。該巡天發現了大約十幾個新的、極其暗淡的星系在銀河系周圍執行。他們的發現令人震驚。天空已經被如此徹底地調查了這麼長時間，以至於很難想象我們宇宙門前的星系是如何一直未被發現的。這些星系被稱為超微弱矮星系，在某些情況下僅包含數百顆恆星。它們是如此微弱和彌散，以至於不會出現在天空的普通影像上；需要特殊的資料處理技術來識別它們。
如果斯隆巡天在發現超微弱星系時覆蓋了整個天空，它可能會再發現大約35個。儘管如此，這仍然無法解釋所有“丟失”的矮星系。因此，天文學家一直在尋找其他可能性。也許有更多的此類星系存在，只是距離太遠，現有望遠鏡無法探測到。斯隆巡天可以找到距離約150,000光年以內的超微弱矮星系。埃裡克·托勒魯德和他在加州大學歐文分校的合作者預測，有多達500個未被發現的星系在距離中心約一百萬光年的範圍內圍繞銀河系執行。天文學家應該能夠使用一種名為大型綜合巡天望遠鏡的新光學望遠鏡找到它們，該望遠鏡的集光面積是斯隆望遠鏡的八倍。該天文臺的建設於今年三月開始。
另一種假設是，銀河系周圍甚至環繞著比最微弱的超微弱矮星系還要暗淡的星系——可能太暗淡了，以至於它們根本不包含恆星。它們幾乎是純粹的暗物質。這種星系是否能被看到取決於它們除了暗物質之外是否還包含氣體。這種氣體可能足夠彌散，以至於冷卻速度非常慢，太慢而無法形成恆星。然而，射電望遠鏡對大片天空的巡視可能會探測到氣體。
然而，如果這些星系缺乏氣體，它們只能透過其對普通物質的引力效應間接顯示其存在。如果這些暗星系之一衝過銀河系或其他星系的星系盤，它可能會像鵝卵石扔進平靜的湖面一樣留下漣漪——可以觀察到恆星和氣體的分佈或速度受到擾動。不幸的是，這種漣漪會非常小，天文學家必須確信它不能以任何其他方式產生——這是一項艱鉅的任務。所有螺旋星系都在其原子氫盤中顯示出類似於波濤洶湧的大海中的波浪的擾動。
如果暗星系足夠 массивные ，蘇卡尼亞·查克拉巴蒂（現任職於佛羅里達大西洋大學）和包括我在內的幾位合作者開發的一種方法可能提供辨別其透過的工具。我們最近表明，星系外圍區域最大的擾動通常是經過的星系留下的潮汐印記，這可以與其他擾動區分開來。透過分析這些擾動，我們可以推斷出侵入星系的質量和當前位置。這種技術可以辨別出質量只有主星系千分之一的星系。將此方法應用於銀河系，我們的團隊推斷出一個未被發現的可能是暗星系的星系潛伏在銀河系平面內，距離銀河系中心約300,000光年。目前正在計劃利用斯皮策太空望遠鏡收集的資料，在近紅外光下尋找這個星系。
光線太少
除了尋找它們的挑戰之外，銀河系附近的超微弱星系和暗星系還給天文學家帶來了關於它們所含物質相對數量的更深層次的問題。天文學家通常根據星系的質光比來衡量星系中物質的數量：物質的質量除以它發出的光總量。通常，我們以太陽單位給出比率；根據定義，太陽的質光比為1。在我們的星系中，平均恆星比太陽質量小得多，也暗淡得多，因此發光物質的總體質光比接近於3。包括暗物質在內，銀河系的總質光比躍升至約30。
現任職於卡內基科學研究所的喬什·西蒙和現任職於耶魯大學的瑪拉·格哈測量了八個超微弱矮星系中恆星的速度，以獲得這些星系的質量和光度。在某些情況下，質光比超過1,000——遠遠高於已知宇宙中任何結構的質光比。在整個宇宙中，暗物質與普通物質的比率幾乎正好是5。為什麼銀河系系統的質光比如此之高，而超微弱星系甚至更高？
答案可能在於比率的分子或分母：質光比高於宇宙平均水平的星系要麼具有超出預期的質量，要麼產生的光線較少。天文學家認為，分母是罪魁禍首。大量的普通物質沒有發出足夠明亮的光線以供我們看到，要麼是因為它從未能夠沉降到星系中並聚結成恆星，要麼是因為它確實沉降到星系中，但隨後又被排出到星系際空間，在那裡它以電離形式存在，而目前的望遠鏡無法探測到[參見詹姆斯·E·吉奇的“迷失的星系”；大眾科學，五月]。質量較小的星系由於引力較弱，會失去更多的氣體，因此它們的光輸出不成比例地減少。多麼奇怪的諷刺，一種看不見的物質（暗物質）引發的問題竟然會產生另一組問題（普通但未被探測到的物質）。
暗物質之謎多年來一直處於休眠狀態，現在已成為物理學和天文學中最活躍的研究領域之一。物理學家希望識別和探測構成暗物質的粒子，天文學家正在尋找更多關於這種物質如何行為的線索。但是，無論是否是謎題，暗物質的存在都為範圍廣泛的天文現象提供了答案。