盘状星系相互关联的明暗面，挑战星系模拟体系

新发现的一条普遍规律显示，即使盘状星系主要由暗物质构成，其自转依然完全由所含的可见物质决定。

翻译 访冬

审校 金庄维

图：盘状星系示例，玉夫座星系的近红外图像

下图：McGaugh等人得到盘状星系旋转的普遍规律：即使这类星系主要由暗物质构成，其旋转特征依然由所含的可见物质决定。

与其他星系类型相比，盘状星系的动力学最简单，这让它们成为理想的研究对象。来自凯斯西储大学和俄勒冈大学的研究人员证明了盘状星系的自转加速度与其所含可见物质的分布间存在一种简单关系。鉴于暗物质是这些星系的主要成分，因而也是星系自转的主要决定因素，这一发现暗示着星盘内的普通物质分布决定了外围暗物质的密度分布。

许多盘状星系具有轴对称性：恒星以恒定速度沿着圆形轨道运动。如果这些星系只含有普通物质，那么物质受到的引力应当随着与星系中心距离的增加而减小，旋转速度也会相应减小。几乎所有盘状星系的自转速度都会随着半径的增加而增大，最终趋于某个固定值。这说明星系中存在很多我们无法看到的物质，即暗物质。低质量密度的盘状星系，也就是低表面亮度星系，是最极端的例子。这些星系所含的暗物质是可见物质的数百倍，并且在所有半径范围内，星系的质量密度几乎完全由暗物质决定。

20世纪70年代， Vera Rubin 和 Kent Ford进行的观测首次显示出盘状星系中存在暗物质。不久之后，Brent Tully 和Richard Fisher发现了可见物质和暗物质间的联系：盘状星系的光度（与所含可见物质质量成正比）在半径很大的地方与自转速度呈指数关系，而自转速度主要由暗物质决定。

然而，两者之间的关系不止如此。McGaugh, Lelli 和 Schombert 的工作显示了盘状星系中可见物质的径向分布与自转速度间存在异常简单的关系。研究者分析了153个盘状星系，相关数据来自于由 NASA 的斯皮策空间望远镜（Spitzer telescope）采集的 SPARC(spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves)数据库，并且结合了另外一些星系旋转曲线的测量数据。研究团队用红外波段的测量估计出星盘内的可见物质分布。随后，在星盘的某些半径处，他们计算了两个数值：来自于可见物质引力的向心加速度（计算值）和由测得的自转速度推算出的实际向心加速度（观测值）。

对于所有153个星系，研究人员获得了每个星盘内不同半径处向心加速度的计算值和观测值，共计2700个数据点。星盘质量跨越4个数量级，密度跨越3个数量级。他们通过作图发现，所有数据点都落在同一条曲线附近（如图），根据星盘质量和表面亮度的不同，数据点落在曲线的不同部分。这表明计算值和观测值之间存在紧密联系：通过计算给定半径处可见物质引力产生的向心加速度，我们就可以得到该处的实际向心加速度，即使多数情况下这主要由暗物质决定。

根据可见物质与暗物质的含量比，这条曲线显示了两种不同情况：当加速度大于某个临界值时，计算值和观测值相等。这对应于拥有较厚星盘的大星系内部区域，主要由可见物质构成。当加速度小于这个值时，观测值逐渐高于计算值，并且计算值越小，两者差异越大。这一差异正是暗物质存在的信号。值得注意的是，Tully-Fisher 关系和大半径的平坦自转曲线都包括在这一更为普适的关系之内。

为什么无论星盘的质量和密度是大是小，可见物质与周围的暗物质分布都有如此密切的联系？大质量的星系周围理应环绕着大量的暗物质，标准宇宙学模型也许可以解释类似 Tully-Fisher 这样的关系。然而，新发现的关系中同时包含了星盘的质量和密度，这就更加令人费解：为什么质量相同但密度不同的星盘与质量不同但密度相同的星盘遵从同样的规律？而加速度又为何是其中的关键参数？

虽然我们对此已经有所了解，并且多年来不断完善相关理论，但直到现在还没有人知道确切的答案。一种可能是，观察到的这种关系正是盘状星系和暗物质的天体演化的最终结果。宇宙学模拟直到现在才能产生合理的盘状星系，新发现为检验模拟得到的星系是否符合观测提供了定义清晰且易于计算的参照标准。当前的模拟似乎可以得到类似的关系，但是这种模拟在细节上是否能够符合观测数据还有待进一步检验。

还有其他一些更加激进的解释。暗物质的物理可能比简单模型设定的更为复杂，例如额外的自相互作用或是与可见物质间的相互作用；牛顿力学不再适用：该尺度关系所反映的可能是对牛顿力学定律的修正而不是暗物质的存在。对于牛顿力学的修正回避了将星系中的暗物质和可见物质相互关联的的难点，但在宇宙尺度上难以与观测完全吻合。

新发现的盘状星系旋转的普遍规律对标准宇宙学模型框架下的星系模拟提出了明确的挑战。它将指引我们对推动星系形成的天体物理过程做出更深入的理解，或许——只是有可能——将让现有的基本物理理论产生根本的改变。

This research is published in PhysicalReview Letters.

References

1 S. S McGaugh, F. Lelli, and J. M.Schombert, 「Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies,」 Phys. Rev. Lett. 117, 201101 (2016).

2 V. C. Rubin and W. K.Ford, 「Rotation of theAndromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions,」 Astrophys. J. 159, 379 (1970).

3 R. B. Tully and J. R. Fisher, 「A New Methodof Determining Distances to Galaxies,」 Astron. Astrophys. 54, 661(1977).

4 F. Lelli, S. S. McGaugh, and J. M.Schombert, 「SPARC: Mass Models for 175 Disk Galaxies with Spitzer Photometryand Accurate Rotation Curves,」 arXiv:1606.09251;Astron. J. (to be published).

5 B. W. Keller and J. W. Wadsley, 「La Fin duMOND? ΛΛ CDM is Fully Consistent with SPARCAcceleration Law,」 arXiv:1610.06183.

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7 M. Milgrom, 「A Modification of theNewtonian Dynamics as a Possible Alternative to the Hidden Mass Hypothesis,」 Astrophys. J. 270, 365 (1983).

8 J. Bekenstein, 「Relativistic GravitationTheory for the Modified Newtonian Dynamics Paradigm,」 Phys.Rev. D 70, 083509 (2004).

相关论文信息

【题目】Radial Acceleration Relation in RotationallySupported Galaxies

【作者】Stacy S. McGaugh et.al.

【期刊】Phys. Rev. Lett

【日期】2016.11.9

【DOI】https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.201101

【摘要】

We report a correlation between the radial acceleration traced by rotationcurves and that predicted by the observed distribution of baryons. The samerelation is followed by 2693 points in 153 galaxies with very differentmorphologies, masses, sizes, and gas fractions. The correlation persists evenwhen dark matter dominates. Consequently, the dark matter contribution is fullyspecified by that of the baryons. The observed scatter is small and largely dominatedby observational uncertainties. This radial acceleration relation is tantamountto a natural law for rotating galaxies.

论文链接：

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.201101

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