遠古星系跟現代星系有什麼區別？

在約 100 億年前宇宙迎來了一次誕生星系的高峰，科學家剛剛發現那時的大型產星星系主要是由重子或「普通」物質組成的。這跟現代的星系截然不同，因為現代的星系深受暗物質的影響。歐洲南方天文台的甚大望遠鏡對宇宙早期的六個大型產星星系進行觀測得出了這一意外的結果：暗物質在早期宇宙的影響力沒有現在重要。

左側是離我們較近的現代星系，右側是離我們較遠的遠古星系。最新研究表明，暗物質（紅色區域）對在早期形成的大質量產星星系盤有較少的影響。因此，遠古星系的外圍區域旋轉的比現代星系要比慢的多。（圖片來源：ESO/L. Cal?ada）

我們看到的閃閃發亮的恆星，發光的氣體和塵埃雲都是由普通物質組成的。但是暗物質卻不輻射、吸收或反射光，只能通過引力的效應來觀測它的存在。如果只有可見的普通物質存在於星系之中，那麼就無法維持星系的高速自轉，星系就會分崩離析。但事實卻並非如此，因此天文學家斷定有一種不可見的暗物質存在，提供著額外的引力維持著整個星系。

這項最新結果是由德國普朗克地外物理研究所的 Reinhard Genzel 所領導一個國際天文科研團隊得出的。他們發現，不像現代的螺旋星系，這些遠古星系的外圍區域自轉的速度比其星系中心部分的要慢的多，意味著暗物質的總量要比預計的少很多。

星系自轉曲線：以恆星或氣體的軌道速度為 y 軸，相對於至星系中心距離為 x 軸的圖。左側是離我們距離較近的現代星系，我們看到星系的自轉曲線趨於平穩，代表存在大量暗物質。右側是離我們非常遙遠的遠古星系，星系自轉曲線在外圍區域發生了顯著的下跌，證明只有少數的暗物質。（圖片來源：ESO）

從上圖中我們可以看到，這些遠古的星系的自轉速度隨著離星系中心的距離的增加發生了明顯的下跌。之所以會這樣有兩種可能：一是大部分這些早期的大型星系主要由普通物質主導，它們包含的暗物質總量比現代星系中的要少的多；二是這些遠古星系的星系盤要比現代螺旋星系更加的動蕩。

這兩種現象在宇宙越早期就越顯著。這意味著在宇宙大爆炸後大約 30 至 40 億年間，星系中的氣體已經能夠有效地凝聚成一個扁平的自轉圓盤，而包裹著它們的暗物質暈則更大、更鬆散。只有在經歷了更久遠的時間後，暗物質才能夠凝聚，因此它對星系自轉曲線的效應到了今天才變得越來越重要。

暗物質暈（Dark Matter Halo）。（圖片來源：ESA）

這個解釋跟觀測相符意味著早期的星系包含了更多的氣體，並且更加的緊湊。

除了對這六個星系的自轉曲線進行單獨測量，研究人員還把其它的樣本（信號較弱的）結合產生一個合成的自轉曲線，顯示了同樣的速度遞減趨勢。此外，另外兩項對240個產星星系的分析也支持了這一結果。

詳細的模擬顯示，在高紅移的星系（那些離我們非常遙遠的星系）中，只要普通物質佔據星系物質總量的一半以上，就會完全主導星系的動力學。

參考文獻 https://phys.org/news/2017-03-dark-influential-galaxies-early-universe.html

註：凱斯西儲大學天文系主任 Stacy McGaugh 在博客中對這項工作提出質疑，對細節感興趣的讀者可以通過以下鏈接閱讀（英文，需翻牆）

論文基本信息

【標題】Strongly baryon-dominated disk galaxies at the peak of galaxy formation ten billion years ago

【作者】R. Genzel, N. M. F?rster Schreiber et al.

【期刊】Nature

【日期】2017.3.16

【DOI】10.1038/nature21685

【摘要】In the cold dark matter cosmology, the baryonic components of galaxies—stars and gas—are thought to be mixed with and embedded in non-baryonic and non-relativistic dark matter, which dominates the total mass of the galaxy and its dark-matter halo. In the local (low-redshift) Universe, the mass of dark matter within a galactic disk increases with disk radius, becoming appreciable and then dominant in the outer, baryonic regions of the disks of star-forming galaxies. This results in rotation velocities of the visible matter within the disk that are constant or increasing with disk radius—a hallmark of the dark-matter model. Comparisons between the dynamical mass, inferred from these velocities in rotational equilibrium, and the sum of the stellar and cold-gas mass at the peak epoch of galaxy formation ten billion years ago, inferred from ancillary data, suggest high baryon fractions in the inner, star-forming regions of the disks. Although this implied baryon fraction may be larger than in the local Universe, the systematic uncertainties (owing to the chosen stellar initial-mass function and the calibration of gas masses) render such comparisons inconclusive in terms of the mass of dark matter. Here we report rotation curves (showing rotation velocity as a function of disk radius) for the outer disks of six massive star-forming galaxies, and find that the rotation velocities are not constant, but decrease with radius. We propose that this trend arises because of a combination of two main factors: first, a large fraction of the massive high-redshift galaxy population was strongly baryon-dominated, with dark matter playing a smaller part than in the local Universe; and second, the large velocity dispersion in high-redshift disks introduces a substantial pressure term that leads to a decrease in rotation velocity with increasing radius. The effect of both factors appears to increase with redshift. Qualitatively, the observations suggest that baryons in the early (high-redshift) Universe efficiently condensed at the centres of dark-matter haloes when gas fractions were high and dark matter was less concentrated.

【鏈接】 http://www.nature.com/nature/journal/v543/n7645/full/nature21685.html

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