¿Es posible que el proyecto $ de mongodb devuelva una matriz?

Podrías probar con el operador $push.

Por ejemplo, si tuviera documentos como:

{ _id: <something>, y: 5 } 

En el shell de mongo, si escribe

db.model.aggregate( [ { $group: { _id: null, newArrayField: { $push: {  x: "$_id", y: "$y"  } } } } ] )

Obtendrías:

{
    "result" : [
        {
            "_id" : null,
            "newArrayField" : [
                {
                    "x" : ObjectId("5265dd479eb4b1d4289cf222"),
                    "y" : 5
                }
            ]
        }
    ],
    "ok" : 1
}

Para obtener más información sobre el operador $push, consulte http://docs.mongodb .org/manual/reference/operator/aggregation/push/