虽然天文学家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做博士后期间的第一个项目是测量银河系盘外围区域恒星形成巨分子云的旋转速度。我研究出了当时最精确的确定这些速度的方法，然后坐在天文系的休息室里，开始（用手在坐标纸上）绘制结果。银河系方面的另外两位专家，弗兰克·舒和伊万·金，碰巧路过。他们看着我填写最外层云的速度，我们看到的模式立刻清楚地表明，银河系充满了暗物质，尤其是在其最外围部分。我们坐下来抓耳挠腮，想象着暗物质的本质可能是什么，我们想出的所有想法很快就被证明是错误的。
这项研究是20世纪70年代和80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，而且是宇宙中主要的物质组成部分。WMAP航天器的测量证实，暗物质的质量是普通物质（质子、中子、电子等等）的五倍。这种物质到底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一种尚未在粒子加速器中探测到的奇异粒子组成，这种粒子是由尚未得到证实的物质理论预测的，这衡量了我们的无知程度。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一些长期存在的谜题提供了钥匙。例如，天文学家已经知道50多年了，银河系的外围部分像放在加热器上的黑胶唱片一样是扭曲的。他们无法为这种扭曲建立可行的模型——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的星系形成计算机模拟预测，我们的星系周围应该环绕着数百甚至数千个小型卫星星系。然而，观测者只看到了大约二十几个。这种差异导致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。这些新发现的卫星不仅有助于解决星系结构的长期谜团，还可能教会我们一些关于宇宙物质总量的知识。
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考虑扭曲
了解暗物质告诉我们关于银河系的第一步是大致了解星系的组织方式。普通物质——恒星和气体——存在于四个主要结构中：薄盘（包括风车状的螺旋图案和太阳的位置）、致密的核（也容纳着一个超大质量黑洞）、被称为棒状体的细长凸起，以及包围星系其余部分的老恒星和星团的球状“晕”。暗物质的排列方式非常不同。虽然我们看不见它，但我们从恒星和气体的旋转速度推断出它的位置；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，并大致随着距中心距离的平方而下降。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，天文学家对暗物质的基本认识仅限于将其视为一个巨大的、未分化的、身份不明的物质球。然而，在过去的几年里，我们设法收集了更多细节，并且暗物质被证明比我们怀疑的更有趣。各种证据表明，这种物质并非均匀分布，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扭曲的存在和大小。当天文学家说星系是扭曲的时，我们指的是星系盘外围的特定变形。在距中心约50,000光年以外的距离，星系盘几乎完全由原子氢气组成，只有少量恒星。通过射电望远镜绘制，气体并不位于星系平面上；你走得越远，它偏离得就越多。到大约75,000光年的距离时，星系盘已经弯曲出平面约7,500光年。
显然，当星系盘内的气体围绕银河系中心旋转时，它也会在平面内和平面外上下振荡。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一个瞬间。本质上，气体盘就像一个以慢动作振动的巨型锣。像锣一样，它可以以多种频率振动，每种频率对应于表面的某种形状。2005年，我和我的同事表明，观测到的扭曲是这三种频率的总和。（最低频率比中央C低64个八度。）总体效果是不对称的：星系一侧的气体比另一侧的气体离平面远得多。
在20世纪50年代首次注意到扭曲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 массивные 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轨道运行，它们的引力倾向于使星系盘变形。然而，详细的计算表明，这些力太弱，无法解释这种效应，因为麦哲伦星云与银河系相比微不足道。几十年来，明显的扭曲的原因仍然是一个未解决的问题。
暗物质锤
认识到银河系包含暗物质，以及对麦哲伦星云质量的新估计（表明它们比想象的更 массивные ），提出了一个新的可能性。如果气体盘像一个巨型锣一样，那么麦哲伦星云在暗物质晕中的轨道可以像一个锤子敲击锣一样，发出其自然音符或共振频率，尽管不是直接的。星云在暗物质中产生一个尾迹，就像船犁过水面时形成尾迹一样。通过这种方式，星云在暗物质的分布中产生一些不均匀性。反过来，这就像锤子一样，导致低质量的星系盘外围部分发出响声。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年提出了这个总体思路。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，那么扭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观看。]
扭曲并不是银河系形状中唯一的非对称性。最引人注目的之一是外围气体盘的不对称厚度，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。这种大的不对称性在动力学上是不稳定的，如果听之任之，它会趋于自我纠正；它的持久性需要某种机制来维持它。30年来，天文学家都知道这个问题，但将其掩盖起来。他们只是在最近才重新审视它，当时一项大大改进的新银河系原子氢调查，加上对气体非圆形运动的更好理解，使得这种不对称性不再可能被忽视。
两种主要的解释都涉及暗物质。要么银河系是球形的，但其中心与暗物质晕不同心，要么如马克斯·普朗克地外物理研究所（位于加兴）的卡纳克·萨哈和几位合作者最近提出的那样，暗物质晕本身就有些不对称。两者都质疑天文学家过去认为银河系和晕是从单一巨大的物质云凝聚而成的观点；如果是这样，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星系是由较小单元合并形成的，或者通过持续合并或吸积星系际气体而增长——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方式不同。
检验这一想法的一种方法是研究延伸穿过星系外围区域的细长恒星流。这些结构是以前卫星星系的细长遗迹。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，因为它呈圆形且恒星质量小——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作用。这些力与月球在地球上产生的力相同，当我们的星球旋转时，拉伸地球上的水体，产生每天两次的海洋潮汐。矮星系被拉伸出来，可以被简化为一条细带[参见罗德里戈·伊巴塔和布拉德·吉布森的“星系幽灵往事”；大众科学，2007年4月]。
由于这些星流中的恒星在很远的距离上围绕星系运行，在这些距离上，暗物质的引力效应很大，因此星流的形状探测了晕的形状。如果晕不是完全球形的，而是有些扁平，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，并且它们围绕星系的轨道几乎是大圆。因此，伊巴塔及其同事的计算机模拟表明，暗物质分布接近球形，尽管它可能仍然像萨哈及其同事提出的那样不对称。
星系消失
如果矮星系的毁灭引发了问题，那么它们的形成也是如此。在我们当前的模型中，星系开始于暗物质的聚集，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这样的大型星系，而且还产生了大量的矮星系。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。错误在于模型还是观测？
部分答案来自对斯隆数字巡天（对大约四分之一的天空进行的系统扫描）的新分析。该巡天发现了大约十几个新的、极其暗淡的星系在银河系周围运行。他们的发现令人震惊。天空已经被如此彻底地调查了这么长时间，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，在某些情况下仅包含数百颗恒星。它们是如此微弱和弥散，以至于不会出现在天空的普通图像上；需要特殊的数据处理技术来识别它们。
如果斯隆巡天在发现超微弱星系时覆盖了整个天空，它可能会再发现大约35个。尽管如此，这仍然无法解释所有“丢失”的矮星系。因此，天文学家一直在寻找其他可能性。也许有更多的此类星系存在，只是距离太远，现有望远镜无法探测到。斯隆巡天可以找到距离约150,000光年以内的超微弱矮星系。埃里克·托勒鲁德和他在加州大学欧文分校的合作者预测，有多达500个未被发现的星系在距离中心约一百万光年的范围内围绕银河系运行。天文学家应该能够使用一种名为大型综合巡天望远镜的新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。该天文台的建设于今年三月开始。
另一种假设是，银河系周围甚至环绕着比最微弱的超微弱矮星系还要暗淡的星系——可能太暗淡了，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除了暗物质之外是否还包含气体。这种气体可能足够弥散，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冲过银河系或其他星系的星系盘，它可能会像鹅卵石扔进平静的湖面一样留下涟漪——可以观察到恒星和气体的分布或速度受到扰动。不幸的是，这种涟漪会非常小，天文学家必须确信它不能以任何其他方式产生——这是一项艰巨的任务。所有螺旋星系都在其原子氢盘中显示出类似于波涛汹涌的大海中的波浪的扰动。
如果暗星系足够 массивные ，苏卡尼亚·查克拉巴蒂（现任职于佛罗里达大西洋大学）和包括我在内的几位合作者开发的一种方法可能提供辨别其通过的工具。我们最近表明，星系外围区域最大的扰动通常是经过的星系留下的潮汐印记，这可以与其他扰动区分开来。通过分析这些扰动，我们可以推断出侵入星系的质量和当前位置。这种技术可以辨别出质量只有主星系千分之一的星系。将此方法应用于银河系，我们的团队推断出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。目前正在计划利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带来了关于它们所含物质相对数量的更深层次的问题。天文学家通常根据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，平均恒星比太阳质量小得多，也暗淡得多，因此发光物质的总体质光比接近于3。包括暗物质在内，银河系的总质光比跃升至约30。
现任职于卡内基科学研究所的乔什·西蒙和现任职于耶鲁大学的玛拉·格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。为什么银河系系统的质光比如此之高，而超微弱星系甚至更高？
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超出预期的质量，要么产生的光线较少。天文学家认为，分母是罪魁祸首。大量的普通物质没有发出足够明亮的光线以供我们看到，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，但随后又被排出到星系际空间，在那里它以电离形式存在，而目前的望远镜无法探测到[参见詹姆斯·E·吉奇的“迷失的星系”；大众科学，五月]。质量较小的星系由于引力较弱，会失去更多的气体，因此它们的光输出不成比例地减少。多么奇怪的讽刺，一种看不见的物质（暗物质）引发的问题竟然会产生另一组问题（普通但未被探测到的物质）。
暗物质之谜多年来一直处于休眠状态，现在已成为物理学和天文学中最活跃的研究领域之一。物理学家希望识别和探测构成暗物质的粒子，天文学家正在寻找更多关于这种物质如何行为的线索。但是，无论是否是谜题，暗物质的存在都为范围广泛的天文现象提供了答案。