自2013年发射以来，欧洲航天局的盖亚探测器一直被誉为一项注定要改变我们对银河系理解的任务。盖亚的主要目的是追踪超过十亿颗恒星的位置、运动、亮度和颜色，从而创建银河系的动态三维地图，这将成为未来几代人银河星图绘制的标准。
但随着该任务最新的数据目录于去年四月发布，天文学家们也正在利用盖亚的精确测绘来推断更多关于弥漫宇宙的神秘暗物质的本质。“盖亚的建造目的是测量我们星系的结构，”哥伦比亚大学的天文学家凯瑟琳·约翰斯顿（Kathryn Johnston）说，她曾使用过新的盖亚数据。“但第一个关键且最令人兴奋的结果与全局结构无关——它们是关于预期结构之上的异常现象。”
像大多数大型星系一样，银河系通过吞噬不幸的较小邻居而成长——其中一些仍在被“消化”，缓慢地融入我们星系的主流结构。来自银河系贪婪的这些残骸都出现在盖亚最新的数据发布中，表现为引力扰动结构，例如恒星流、碎片场和超弥散矮星系——每个都与其自身的暗物质随行人员相关联，盖亚的精确测量独特地定位于揭示这些暗物质。
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在某些方面，这些研究与1930年代首次揭示暗物质存在的那些研究几乎没有区别。天文学家观察到，其他星系外围的恒星以比预期快得多的速度旋转，就好像它们不仅受到星系可见内容（恒星、气体和尘埃）的集体引力牵引，而且还受到周围“光环”的不可见物质的影响。数十年的进一步研究几乎证实，星系嵌套在这样的暗物质晕中，这些暗物质晕延伸到比星系最遥远的恒星远10倍的地方。然而，暗物质在星系内的分布，尤其是朝着星系中心的方向，仍然很大程度上是未知的。
揭开暗物质在星系内普遍存在的更精细细节，可能会揭开银河系本身最初是如何形成的序幕，这反过来又可以检验研究人员关于星系形成和演化的最佳模型。这些模型表明，星系是在引力放大了早期宇宙中弥漫的原始气体的密度轻微波动时形成的，导致这些区域变得越来越密集，直到恒星、星系和星系团出现。至关重要的是，这种情况也要求密度较低的区域变得更不密集，导致许多区域无法形成恒星。然而，这些无星区域应该仍然包含大约一亿倍太阳质量的暗物质。
团块和星流
从未直接观察到过这样的团块，但它们的存在散布在星系外部是宇宙学的一个关键预测。发现一个团块将大大有助于表明我们对早期宇宙的理解是正确的——这正是盖亚对银河系暗物质晕内边缘恒星的观测可能提供的。晕中充满了球状星团——围绕我们星系运行的小而密集的古老恒星群。
偶尔，一个星团可能会过于靠近另一个星团，并将其送向银河系中心。当它坠落时，引力对其前导侧的拉力大于其尾随侧，将星团拉伸成数千光年长的“潮汐流”。从星晕的漫长坠落过程中，这样的星流可能会遇到并与一个或多个暗物质团块相互作用。“对于测试小尺度暗物质亚晕（团块）的存在，星流是最有希望的方向之一，”普林斯顿大学的天文学家阿德里安·普莱斯-惠兰（Adrian Price-Whelan）说。普莱斯-惠兰与哈佛大学的天文学家安娜·博纳卡（Ana Bonaca）合作，筛选了盖亚的新鲜数据，寻找这种相互作用，重点关注银河系最长、最古老的潮汐流之一，一条被称为GD-1的恒星带，从星晕高处坠落到银盘之上。
盖亚使普莱斯-惠兰和博纳卡能够自信地将属于GD-1的恒星与银河系中的前景恒星分开，明确地揭示了星流中存在多个缺口，以及一个前所未见的新特征：一个某种程度上被推出主轨道的支状分支恒星。单个缺口很容易归因于与另一个球状星团的相互作用，但多个缺口以及一个分支表明，星流与一个非常密集和紧凑的物体相互作用，该物体的质量范围在一百万到一亿个太阳质量之间——正好是假定的在星晕中翱翔的暗物质团块的质量范围。然后，博纳卡领导的一个团队追溯了GD-1从星晕的坠落轨迹，在看似空旷的空间中搜寻任何其他可能导致缺口和分支的物体。那次搜索一无所获，使暗物质成为目前最可能的答案。“作者令人信服地表明，这个分支可以归因于一个看不见的暗物质团块以某种速度掠过星流，扭曲了它的路径，”约翰斯顿说。“这些暗物质团块在这样的质量尺度上被理论化存在，但这是迄今为止我们探测到它们存在的最有力的证据。”
弥散矮星系
GD-1星流直接位于银河系盘上方，因此非常容易看到，而使用盖亚的研究人员在最难研究的区域之一发现了另一个奇怪的结构：我们星系的远侧，从我们太阳系的角度来看，位于银河系恒星密集的盘的另一侧。加布里埃尔·托雷阿尔巴（Gabriel Torrealba）是台湾天文与天体物理研究所的天文学家，他与同事合作，利用盖亚数据穿透星盘，寻找银河系远侧以前未知的卫星星系。盖亚的精湛测量使该团队能够识别并筛选掉星盘中介于两者之间的恒星群，从而揭示它们之外的东西。他们发现的是Antlia 2 (Ant 2)——有史以来探测到的银河系最弥散的伴星系。
Ant 2 被称为“幽灵星系”，其亮度约为其他同等大小的卫星星系的三分之一，但比迄今已知的大多数其他暗淡星系都大。Ant 2 的恒星非常分散，天文学家很难解释它的存在。“Ant 2 相当出乎意料，”约翰斯顿说。“我很惊讶如此弥散的星系能够在银河系周围存活下来。”为了理解 Ant 2 是如何形成的，托雷阿尔巴和他的团队将注意力转向了它潜在的暗物质库存。
卫星星系被认为嵌入在它们自己的暗物质晕中，当卫星星系落入像银河系这样更大的星系时，这些暗物质晕应该会从外向内逐渐剥离。托雷阿尔巴和他的同事怀疑 Ant 2 之所以如此弥散，是因为它极度缺乏暗物质；如果这是真的，再加上 Ant 2 在我们星系外围的位置，这将表明这个幽灵星系可能已经围绕银河系运行了好几次，并且已经处于吸收的最后阶段，在此之前，它的大部分暗物质已经在早期的运行中被虹吸走了。事实上，托雷阿尔巴猜测它将在下一次运行中完全解体。
对于希望通过引力相互作用以外的方法探测暗物质的实验主义者来说，Ant 2 明显缺乏暗物质可能被证明是一个额外的好处。例如，关于暗物质物理身份的主流理论是，它由假设的弱相互作用大质量粒子 (WIMP) 组成。如果并且当 WIMP 在宇宙中的某个地方相互碰撞时，它们应该会以伽马射线爆发的形式湮灭。托雷阿尔巴和他的同事认为，尽管 Ant 2 可能被剥夺了暗物质，但它仍然比其他可能通过各种更传统的天体物理过程产生伽马射线的恒星和气体更贫乏——因此，如果观察到任何来自这个幽灵星系的伽马射线，它们可能归因于暗物质。将这一点扩展到其他最近发现的超弥散星系，我们可能会发现它们共同构成了一种新的、前所未有的探测器，用于寻找 WIMP 和其他各种假设的暗物质粒子。
碎片场
幸运的是，我们可能不必一直凝视整个星系来检验我们的暗物质假设。由于盖亚最近发现的银河系中更古老的星系合并事件，我们可以在我们自己的“邻域”中寻找它的迹象，即包含我们太阳系的银盘部分。
就在一年多前，剑桥大学的天文学家瓦西里·贝洛库罗夫（Vasily Belokurov）和托雷阿尔巴在 Ant 2 上的合著者，在早期的盖亚数据中发现了迹象，表明银河系很久以前经历了一次与其自身大小相当的星系的主要合并事件。由于它是使用盖亚数据发现的，他将这个庞大的星系入侵者昵称为盖亚香肠。它带入银河系的数十亿颗恒星中，有些现在聚集在我们太阳系的银河后院，也许它们相关的暗物质就潜伏在附近。但是，尽管我们可以识别出盖亚香肠合并事件贡献的可见物质的碎片场，但要确定随之而来的暗物质已被证明是一项具有挑战性的任务。
加州理工学院的天文学家莉娜·内西布（Lina Necib）希望使之变得更容易。使用计算机模拟，她和她的团队模拟了可见物质和暗物质的共同演化，来自两个合并星系，就像盖亚香肠和银河系一样，看看两种不同的物质类型是否最终具有相似的分布。他们的结果表明——尽管可见物质在随后的星系范围物质重新分布中落后于暗物质——但在合并结束时，两种物质类型都以相似的相关速度呼啸而过。对于内西布和她的团队来说，这种相关性意味着应该可以使用与盖亚香肠相关的恒星、气体和尘埃来追踪其相应暗物质的分布。“能够使用恒星对应物来追踪最近合并事件中的暗物质成分是巨大的！”内西布说。如此靠近的暗物质储藏库对于使用伽马射线测试直接探测实验可能更有用，就像 Ant 2 一样。
感谢盖亚，天文学家们正在积累一系列技术来探测我们的星系、暗物质以及所有的一切，从而创建一个新的工具集，用以证实或排除一些描述这种最难以捉摸的物质的众多理论。GD-1 是大约三十个星流之一，Ant 2 是大约六十个银河系卫星星系之一，太阳邻域只是与盖亚香肠相关的碎片场之一——所有这些都可能只是各自类别的冰山一角，从而导致对不仅是个体结构，而且是对其整体种群的新研究。盖亚的任务尚未完成——它计划收集数据到 2020 年，并且看起来足够健康，可以继续运行到下一个十年的中期。但它的遗产——揭示暗物质在银河系迄今为止隐藏的历史篇章中的作用——已经非常清晰。