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)
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。
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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