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不存在暗物质的星系首次被发现,它是否会威胁主流天文学理论?




新发现的“超稀疏”星系NGC 1052-DF2 几乎不包含暗物质。这项 3 月 28 日发表于 Nature 的研究超出了天文学家们的常规理解,并可能使我们对星系的形成和演化的认知有所突破。


撰文 Rebecca Boyle

翻译 钱涛

审校 金庄维 魏潇


星系不仅仅是大量恒星的聚集地。对现代天体物理学家来说,星系更以其“黑暗”的一面而闻名:它们包含的暗物质只有通过对明亮物质的吸引才能被“看到”,而且这些暗物质的质量似乎远远超过明亮物质。所谓的暗物质与恒星、气体一样,都是星系的基本组成部分,它还为星系的聚集和成长播下了引力种子。


一个星系没有暗物质——或者说没有可以模拟暗物质行为的奇特引力效应——确实是一件非常奇怪的事情。找到这样的星系就像发现没有火源的烟,没有原因的结果。然而,这正是耶鲁大学天文学家彼得·范多肯(Pieter van Dokkum)和他的同事们刚刚发现的,他们的研究在 2018 年 3 月 28 日发表于《自然》杂志。

van Dokkum, P., Danieli, S., Cohen, Y., Merritt, A., Romanowsky, A.J., Abraham, R., et al. (2018). A galaxy lacking dark matter. Nature 555, 629. doi: 10.1038/nature25767.)


在哈勃太空望远镜的一张照片中看到的“超稀疏”星系NGC 1052-DF2,与我们银河系的大小相仿,但包含的恒星数量只有其 1%。奇怪的是,它似乎也不包含暗物质。图片来源:NASA、ESA 和 P.vanDokkum (耶鲁大学)



没有暗物质的超稀疏星系

这个名为 NGC 1052-DF2 的星系,距离我们大约 6,500 万光年。它几乎和银河系一样大,但它是“超稀疏”(ultra-diffuse)的,这意味着它所包含的恒星数量只相当于我们银河系中的极小部分——只有 1%。从恒星的稀疏性来看,它并不像一个典型的螺旋星系,而是一个松散连接的、幽灵般的星尘团。如果一个星系中含有与它的大小相匹配的、较为典型的暗物质,那么暗物质的引力会加速环绕它的几个星团的运动。相反,范多肯的团队发现这些星团在 NGC 1052-DF2 周围缓慢移动,这表明星系中可能只有很少或根本没有暗物质。这表明暗物质不仅可以与常规可见物质分离,还可以与整个星系分离——这是天文学家迄今从未见过的现象。


阿姆斯特丹大学的理论物理学家埃里克·韦尔兰德(Erik Verlinde)说:“如果一个确实存在的星系中几乎没有暗物质的出现,我认为这对所有有关星系形成的理论都是个问题。”他提出过一种暗物质主导引力的替代理论(译注:韦尔兰德的理论中不需要暗物质),但没有参与此次研究。“即使你相信一个修正引力理论,那你希望看到的也将与这里观察到的不一致。这对几乎所有的理论来说都是个问题。“


暗物质从来没有被直接看到或测量过,因为它不发光。相反,暗物质的存在是通过它对周围所有正常物质的引力来推断的。天体物理学家认为暗物质的引力对于形成宇宙大尺度结构(由星系团组成的细丝状和片状结构)至关重要。科学家们甚至测量了这些星系团如何作为引力透镜,放大来自遥远的背景星系的光。然而,一些物理学家做出过没有暗物质的假设,我们所认为的巨大、弯曲星光的大质量不可见物质,实际上是被严重误解的其它东西。


在 2015 发现的超稀疏星系被认为是可以用来理解暗物质的、特别有用的宇宙实验室。天文学家们一直以来认为,暗物质必定在形成这些缺乏正常恒星物质的天体中起着一定的作用。这一想法促使范多库姆和他的同事们建造了蜻蜓远程望远镜阵列(Dragonfly Telephoto Array),这是一台位于新墨西哥州的望远镜,其目的是为了对超稀疏星系进行仔细观察。研究人员最初使用“蜻蜓”来研究另外一个完全不同的星系,它似乎拥有几乎令人难以置信的巨量暗物质,这本身就是一个奇怪的结果。当范多库姆和他的团队发现 NGC 1052-DF2 时,他们原本希望能够观察到类似的情况。


“但是,我们看到了相反的结果,从而得出了这样一个不同寻常的结论:这个星系根本没有暗物质存在的空间,”范多肯说。“这不是我们一直在寻找或期待的东西,完全不是。但你必须要跟随数据所显示的方向前进,即使这与你之前发现的情况相矛盾。”


在“蜻蜓”的图像中,NGC 1052-DF2 看起来像一个标准的超稀疏星系。但是当团队将它们与斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)获得的更精确的图像进行比较时,他们发现了令人惊讶的不匹配。“蜻蜓”的视野中的那些看似模糊的基本星系结构,在斯隆的图像中似乎是些点源。为了解决这一差异,研究小组用哈勃太空望远镜、位于夏威夷莫纳基亚(Mauna Kea)的W.M. 凯克(W.M. Keck)天文台和双子座天文台(Gemini Observatory)对银河系进行了仔细检查。


点源被证明是 10 个球状星团——围绕星系核运行的致密、球形恒星群。研究人员随后开始测量这些星系团的运动,以此来估算星系的总质量。简单地说,星系团的绕行速度与星系所包含的正常物质及暗物质的质量有关。利用凯克望远镜的信息,研究小组发现球状星团的移动速度比预期慢得多。


根据星系团的运动和 NGC 1052-DF2 的质量,研究者意识到在这个特殊的星系可能没有暗物质。所有星系团的运动都可以完全用银河系可观测恒星的质量(译注:即可见物质的质量)来解释。



争  论

然而,没有参与这项新研究的德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家迈克尔·博伊兰-科尔钦(Michael Boylan-Kolchin)说,这些测量可能是不完美的。他表示:“另一种可能性是,球状星团,或他们认为是球状星团的物体,并不能根据他们所认为的方式来衡量真正的总质量。……关键是看看球状星团是否真的反映整个星系的质量。”


假如这项研究的结果是正确的,有几个理论可以解释像 NGC 1052-DF2 这样的星系是如何在暗物质的“黑手”未触及的情况下聚集在一起的。可能是 NGC 1052-DF2 曾经是一个平静的气体团,最近曾被附近其它看不见的星系所干扰,引发了恒星的形成。或者,范多肯推测,这个超稀疏的、无暗物质的星系可能是由两股气体流产生的,它们相互碰撞并压缩,形成少量恒星。另一个想法,早在在二十多年前,由耶鲁大学天文学家普里亚姆瓦达·那塔拉印(Priyamvada Natarajan)首先提出:像 NGC 1052-DF2 这样的星系可能形成于超大质量黑洞的爆发,这一过程产生的喷流催生的气体聚集,会形成星系大小的气体团块。NGC 1052-DF2 确实处于一个可能发生这类事件的区域:它位于一个巨大的椭圆星系附近,其中心是一个超大质量的黑洞。


另外一种可能性是,在没有任何直接探测到暗物质的证据的情况下,一些理论家认为它的存在是虚幻的——是其他的东西驱动了星系的进化和引力透镜。有些人建议修改由艾萨克·牛顿提出的运动定律,发展出一种叫做修正牛顿动力学(Modified Newtonian Dynamics,MOND)的竞争理论。最近,韦尔兰德提出了一种叫做“涌现引力”(emergent gravity)的理论,其中,引力是量子涨落和暗能量的副产品(暗能量是另一种鲜为人知的现象,可能导致宇宙加速膨胀)。


NGC 1052-DF2 缺乏暗物质对整个理论来说却是一件潜在的好事,正是这种矛盾的扭曲使得天体物理学变得十分特别。这是因为即使暗物质不是真实的,暗示它存在的观测是确实存在的。如果大尺度宇宙被另一种稍稍不同的引力所支配,或者是被暗能量场的扰动所支配,观测效应将不会产生明显的区别,并且会在所有星系中表现出来——包括 NGC 1052-DF2。然而,在这个奇怪的星系中,预期的奇异效应的特征却无法被观察到。


这时,“暗物质的缺失恰恰成了它存在的证据,”范多肯说。“这是无法避免的。它可以存在于星系中,也可以不存在于星系中。但它不是一个场,或者某种非物质替代物的‘表象’。”


韦尔兰德认为这个新星系不会让他的想法或修正牛顿动力学(MOND)停止。他说:“我确实相信不需要暗物质来解释这些观测现象。与爱因斯坦和牛顿的理论相比,引力的作用方式可能有些变化,但我们还不能立即下结论。“他说。“我认为现在还为时过早。”


后续观测,包括对球状星系团的更详细的观测,应该有助于天文学家解决这个问题,并更好地理解这些星系团与星系的关系。正在建造的观测设备,例如智利阿塔卡马沙漠(Atacama Desert)的欧洲超大望远镜(European Extremely Large Telescope),或美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope),应该能够进行这样的测量。


没有参加这项研究的斯坦福大学天文学家里莎·韦克斯勒(Risa Wechsler)这样问道:“这种拥有足以形成星系的尺寸和足够大引力的气体云是如何形成的?”她认为,“这毫无疑问是个非常有趣的研究。这真的很神奇。”



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