尽管天文学家们只是逐渐认识到暗物质在宇宙中的重要性，但对我个人而言，这却发生在瞬间。1978年，我在加州大学伯克利分校担任博士后期间的第一个项目是测量银河系外盘星系形成区巨分子云的旋转速度。我研究出了当时最精确的测速方法，然后坐在天文系休息室里（在坐标纸上手绘）绘制结果。银河系研究方面的另外两位专家，弗兰克·舒和伊万·金，正好路过。他们看着我填入最外层云的速度，我们看到的模式立刻清楚地表明，银河系充满了暗物质，尤其是在最外层部分。我们坐下来抓耳挠腮，想象着暗物质的本质可能是什么，但我们想出的所有想法很快就被证明是错误的。
这项研究是 1970 年代和 1980 年代众多研究之一，迫使天文学家得出结论，暗物质——一种既不发射也不吸收光，仅通过其引力影响显现自身的神秘物质——不仅存在，而且是宇宙的主要物质成分。普朗克探测器的测量结果证实，暗物质的质量是普通物质（质子、中子、电子等等）的 5.4 倍。这种物质究竟是什么仍然像以往一样难以捉摸。最保守的假设提出暗物质由粒子加速器尚未探测到的奇异粒子组成，这是对尚未得到证实的物质理论的一种衡量我们无知的尺度。最激进的假设是牛顿的万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论是错误的，或者至少需要进行令人不快的修改。
无论其本质如何，暗物质已经为解开关于银河系如何形成某些特征的持久谜题提供了关键。例如，天文学家 50 多年前就知道，银河系的外层部分像放在加热器上的黑胶唱片一样翘曲。他们无法为翘曲建立可行的模型——直到他们考虑了暗物质的影响。同样，基于暗物质的假定属性进行的星系形成计算机模拟预测，我们的星系应该被数百甚至数千个小型卫星星系所环绕。然而，观测者只看到了大约二十几个。这种差异让人们质疑暗物质是否具有他们认为的属性。但在最近几年，几个天文学家小组发现了大量的矮卫星，缩小了这种差距。这些新定位的卫星不仅有助于解决长期存在的星系结构之谜；它们也可能正在教会我们一些关于宇宙物质总量的知识。
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考虑星系翘曲
了解暗物质告诉我们关于银河系的第一个步骤是获得银河系如何组织的总体图景。普通物质——恒星和气体——存在于四个主要结构中：一个薄盘（包括风车状的螺旋图案和太阳的位置）、一个稠密的核（也蕴藏着一个超大质量黑洞）、一个被称为棒状体的细长隆起，以及一个球状的“晕”，由古老的恒星和星团组成，包裹着银河系的其余部分。暗物质的排列方式截然不同。虽然我们看不到它，但我们从恒星和气体的旋转速度中推断出它的位置；它对可见物质的引力效应表明，它大致呈球形分布，并远远超出恒星晕，密度在中心最高，并大致以到中心距离的平方的倒数下降。这种分布将是天文学家所谓的层级合并的自然结果：即在早期宇宙中，较小的星系吸积形成较大的星系，包括银河系。
多年来，天文学家们对暗物质的基本概念仅限于一个巨大的、未分化的不明物质球。然而，在过去几年中，我们设法收集了更多细节，并且发现暗物质比我们怀疑的更有趣。各种证据表明，这种物质不是均匀分布的，而是具有一定程度的大尺度块状性。
这种不均匀性可以解释银河系翘曲的存在和大小。当天文学家说银河系是翘曲的时，我们指的是银河系盘外围的特定扭曲。在距离中心约 50,000 光年以外的距离，银河系盘几乎完全由原子氢气组成，只有少数恒星。通过射电望远镜绘制，气体不位于银河系的平面上；你离得越远，它偏离得越多。在距离约 75,000 光年处，银河系盘已弯曲出平面约 7,500 光年 [参见右侧的方框]。
显然，当银河系盘内的气体围绕银河系中心旋转时，它也会在平面内上下、内外振荡。这些振荡发生在数亿年的时间里，我们捕捉到它们周期中的某一时刻。本质上，气体盘就像一个巨大的锣，以慢动作振动。像锣一样，它可以以多个频率振动，每个频率对应于表面的某种形状。2005 年，我和我的同事们表明，观测到的翘曲是三个这种频率的总和。（最低频率比中央 C 低 64 个八度。）总体效果是不对称的：银河系一侧的气体比另一侧的气体离平面远得多。
在 1950 年代首次注意到翘曲现象的射电天文学家认为，这可能是由麦哲伦星云（围绕银河系运行的最大星系）施加的引力造成的。由于这些卫星星系在银河系平面外运行，它们的引力会倾向于扭曲银河系盘。然而，详细的计算表明，这些力太弱，无法解释这种效应，因为与银河系相比，麦哲伦星云微不足道。几十年来，明显的翘曲现象的原因仍然是一个未解之谜。
暗物质之锤
认识到银河系包含暗物质，再加上对麦哲伦星云质量的新估计（表明它们比想象的更重），提出了一个新的可能性。如果气体盘像一个巨大的锣一样，那么麦哲伦星云在暗物质晕中的轨道就可以像敲响锣的锤子一样，发出其自然的音调或共振频率，尽管不是直接的。星云在暗物质中产生尾迹，就像船在水中犁过时形成尾迹一样。通过这种方式，星云在暗物质的分布中产生了一些不均匀性。反过来，这就像锤子一样，导致低质量、外盘部分发出响声。结果是，即使麦哲伦星云微不足道，暗物质也极大地放大了它们的影响。
马萨诸塞大学阿默斯特分校的马丁·D·温伯格在 1998 年提出了这个总体想法。后来，我和他将其应用于银河系的观测，发现我们可以重现气体盘的三种振动模式。如果该理论是正确的，那么翘曲是银河系的一个活跃特征，其形状随着麦哲伦星云在其轨道上的移动而不断变化。星系的形状不是固定的，而是不断变化的。[编者注：此过程的视频可在www.ScientificAmerican.com/oct2011/blitz上观看。]
翘曲不是银河系形状中唯一的不对称性。最引人注目的不对称性之一是外气体盘的厚度不对称，这也是使用射电望远镜发现的。如果从太阳到银河系中心画一条线并向外延伸，人们会发现这条线一侧的气体层厚度平均约为另一侧的两倍。这种巨大的不对称性在动力学上是不稳定的，如果任其发展，它会趋于自行纠正；它的持久性需要某种机制来维持它。30 年来，天文学家们都知道这个问题，但一直将其掩盖起来。直到最近，当一项大大改进的银河系原子氢新调查，加上对气体非圆形运动的更好理解，使得这种不对称性再也无法忽视时，他们才重新审视这个问题。
两种主要的解释都涉及暗物质。加州大学伯克利分校的迈克尔·库伦及其同事最近提出，银河系是球形的，但与其暗物质晕不是同心的，或者正如马克斯·普朗克地外物理研究所的卡纳克·萨哈及其几位合作者所提出的，暗物质晕本身有些不对称。这两种解释都对天文学家们过去认为银河系和晕是由单一巨型物质云凝聚形成的观点提出了质疑；如果真是这样，那么普通物质和暗物质应该以同一点为中心。因此，这种不对称性进一步证明了银河系是由较小单元的合并形成的，或者通过持续合并或吸积星系际气体而增长的——这些过程不一定是对称的。星系的中心可能与暗物质的中心偏移，因为气体、恒星和暗物质的行为不同。
检验这个想法的一种方法是研究延伸穿过银河系外围的长而细的恒星流。这些结构是以前卫星星系的细长残余物。在围绕银河系系统运行的星系中最常见的一种被称为矮球状星系，因为其形状呈圆形且恒星质量很小——通常只有银河系的万分之一左右。随着时间的推移，它的轨道衰减，卫星受到银河系潮汐力的影响。这些力与月球对地球产生的力相同，当地球旋转时，将地球上的水体拉伸，产生每天两次的海洋潮汐。矮星系被拉伸，可以变成一条细长的带状物。
由于这些星流中的恒星在远离银河系的地方绕银河系运行，那里的暗物质引力效应很大，因此星流的形状探测了晕的形状。如果晕不是完全球形的，而是略微扁平的，那么它将对星流中恒星的轨道施加扭矩，并导致与大圆的明显偏差。碰巧的是，观测到星流非常细，并且它们围绕银河系的轨道几乎是大圆。法国斯特拉斯堡天文台的罗德里戈·伊巴塔及其同事进行的计算机模拟因此表明，暗物质分布接近球形，尽管它可能仍然像萨哈及其同事所暗示的那样不对称。
消失的星系
如果矮星系的破坏提出了问题，那么它们的形成也提出了问题。在我们目前的模型中，星系开始时是暗物质的聚集体，然后吸积气体和恒星以形成其可见部分。这个过程不仅产生了像我们银河系这样的大星系，还产生了无数的矮星系。这些模型大致正确地预测了这些矮星系的属性，但预测的数量远多于观测者看到的数量。问题是出在模型上还是出在观测上？
部分答案来自对斯隆数字巡天（一项对大约四分之一天空的系统扫描）的新分析。这项巡天发现了大约 16 个新的、极其昏暗的星系在围绕银河系运行。它们的发现令人震惊。天空已经被如此彻底地巡视了这么长时间，以至于很难想象我们宇宙门前的星系是如何在这么长时间里一直未被发现的。这些星系被称为超微弱矮星系，在某些情况下只包含几百颗恒星。它们非常微弱和分散，以至于在普通的天空图像上看不到；需要特殊的数据处理技术才能识别它们。
如果斯隆巡天在发现超微弱星系时覆盖了整个天空，那么它可能会再发现大约 35 个这样的星系。尽管如此，这仍然无法解释所有“丢失”的矮星系。因此，天文学家们一直在寻找其他可能性。也许有更多这样的星系在那里，距离太远，现有望远镜无法探测到。斯隆巡天可以发现距离约 150,000 光年以外的超微弱矮星系。加州大学尔湾分校的埃里克·托勒鲁德及其合作者预测，在距离中心约 100 万光年的范围内，有多达 500 个未被发现的星系在围绕银河系运行。天文学家应该能够用一种名为大型综合巡天望远镜的新型光学望远镜找到它们，该望远镜的集光面积是斯隆望远镜的八倍。该天文台于 2011 年 3 月开始建设。
另一种假设是，银河系周围还环绕着比最微弱的超微弱矮星系还要昏暗的星系——可能非常昏暗，以至于它们根本不包含恒星。它们几乎是纯粹的暗物质。这种星系是否能被看到取决于它们是否除了暗物质之外还包含气体。这种气体可能非常稀薄，以至于冷却速度非常慢，太慢而无法形成恒星。然而，射电望远镜对大片天空的巡视可能会探测到这种气体。
然而，如果这些星系缺乏气体，它们只能通过其对普通物质的引力效应间接显示其存在。如果这些暗星系之一穿过银河系或其他星系的盘，它可能会像扔进平静湖面的一颗鹅卵石一样留下涟漪——可以观察到恒星和气体的分布或速度的扰动。不幸的是，这种涟漪会非常小，天文学家们必须让自己相信它不能以任何其他方式产生——这是一项艰巨的任务。所有螺旋星系都显示出其原子氢盘中类似于汹涌大海波浪的扰动。
如果暗星系足够大，佛罗里达大西洋大学的苏卡尼亚·查克拉巴蒂和包括我在内的几位合作者设计的一种方法可能提供辨别其通过的工具。我们最近表明，星系外围最大的扰动通常是经过的星系留下的潮汐印记，可以与其他扰动区分开来。通过分析这些扰动，我们可以推断出入侵星系的质量和当前位置。
这项技术可以辨别出质量小至主星系千分之一的星系。将这种方法应用于银河系，我们的团队推断，一个未被发现的可能是暗星系的星系潜伏在银河系平面内，距离银河系中心约 300,000 光年。天文学家已经开始使用斯皮策太空望远镜收集的数据，在近红外光下寻找这个星系。
光线太少
除了寻找它们的挑战之外，银河系附近的超微弱星系和暗星系还给天文学家提出了一个更深层次的问题，即它们所包含物质的相对数量。天文学家通常用星系的质光比来衡量星系中物质的数量：物质的质量除以它发出的光总量。通常我们以太阳单位给出这个比率；根据定义，太阳的质光比为 1。在我们的星系中，平均恒星的质量略小于太阳，亮度也远低于太阳，因此发光物质的总体质光比更接近 3。包括暗物质在内，银河系的总质光比跃升至约 30。
华盛顿卡内基研究所的乔希·西蒙和耶鲁大学的玛拉·盖哈测量了八个超微弱矮星系中恒星的速度，以获得这些星系的质量和光度。在某些情况下，质光比超过 1,000——远远高于已知宇宙中任何结构的质光比。在整个宇宙中，暗物质与普通物质的比率几乎正好是 5.4。为什么银河系系统的质光比如此之高，而超微弱星系的质光比甚至更高？
答案可能在于比率的分子或分母：质光比高于宇宙平均水平的星系要么具有比预期更多的质量，要么产生更少的光。天文学家推测分母是罪魁祸首。大量的普通物质没有发出足够明亮的光来被看到，要么是因为它从未能够沉降到星系中并聚结成恒星，要么是因为它确实沉降到星系中，然后又被驱逐回星系际空间，在那里它以电离形式存在，而目前的望远镜无法探测到。
质量较低的星系，由于引力较弱，会损失更多的气体，因此它们的光输出会不成比例地减少。具有讽刺意味的是，一种看不见的物质（暗物质）引发的问题，竟然又引发了另一组问题（普通的但未被探测到的物质）。
暗物质之谜沉寂多年后，现在已成为物理学和天文学中最活跃的研究领域之一。物理学家们希望识别和探测构成暗物质的粒子，天文学家们正在寻找更多关于这种物质如何行为的线索。但无论是否是谜题，暗物质的存在都为各种天文现象提供了答案。