這個不包含任何暗物質的星系，卻證明了暗物質的存在？

星系，被認為是由可見物質——恆星、行星和塵埃——以及暗物質所組成的。暗物質是一種佔據了宇宙大部分質量卻不可見的物質。儘管科學家不知道它們究竟是什麼，但我們可以觀測到暗物質的引力對普通物質所施加的影響。

然而，在距離地球6500萬光年之外，有一個不尋常的星系，挑戰了我們過去對星系形成的認知。

星系。| 圖片來源：[1]

這個昏暗而彌散的星系被稱為NGC1052-DF2，包含了質量約為2億倍太陽質量的恆星，以及微不足道的氣體和塵埃。在一篇剛發表在《自然》的論文中，來自耶魯大學的天文學家Pieter van Dokkum和他的同事發現，該星系的所有質量都來自可見物質！

根據已建立的星系形成理論，大質量的暗物質團塊會首先吸引周圍明亮的物質，為星系的形成播下種子。換句話說，如果沒有暗物質，也就不會有星系。跟銀河系差不多大小的星系所包含的暗物質要比星系內所有的恆星加起來還要重30倍。基於先前對其它相似星系的研究，天文學家預期NGC 1052–DF2包含的暗物質應該要比恆星至少多出400倍。但新的研究卻表明，你所看到的便是所有。

蜻蜓長焦鏡陣列。| 圖片來源：P. van Dokkum

天文學家在2000年的時候首次發現該星系，之後在蜻蜓長焦鏡陣進行的觀察中揭示了更多的細節，吸引了Van Dokkum和他的團隊的關注。在進一步的研究中，天文學家利用SDSS、哈勃太空望遠鏡和凱克天文台發現了一大群亮點。

研究人員相信這些點很可能是由恆星組成的球狀星團。通過測量它們的運動，天文學家可以計算出包含在它們軌道內的物質的質量。結果表明，暗物質要麼非常的稀少，要麼完全沒有。

通過追蹤在星系中的10個星團，研究人員可以計算出星系的質量是多少。| 圖片來源：[1]

要詮釋這究竟意味著什麼並不容易，但有一點是肯定的，那些試圖替代暗物質的理論在解釋這個天體時遇到了困難。

過去，雖然有許多觀測證據都指向了暗物質應該大量存在於宇宙之中，但仍然有許多理論家試圖提出不需要暗物質的新的引力理論來解釋宇宙的運行規律。例如，1981年，Moti Milgrom提出了修正牛頓引力理論（MoND），以及近幾年備受關注的湧現引力（emergent gravity）等。這些理論認為，在不同的星系尺度下，引力的運作方式也會相應變化，而不是假定宇宙中存在著不可見的物質。但如果這些理論是對的，那麼所有的星系都應該服從這些引力定律，看起來就好像真的包含了暗物質一樣，沒有例外。而這項最新研究反駁了這些理論，為暗物質的存在提供了進一步的證據。

但如果暗物質是真實存在的，那麼科學家依然需要解釋NGC 1052–DF2內的暗物質是如何被分離的。Van Dokkum和他的同事設想了幾個可能性，但都無法完全解決所有問題。例如，或許是鄰近星系的引力場太大，將暗物質吸引過去。又或許是當兩個星系合併時，星系間的氣體會相互碰撞，而暗物質會在沒有任何相互作用下穿過。這就允許氣體在沒有暗物質團塊的情況下也能形成恆星。但是，天文學家並沒有在該星系中發現通常會伴隨這個過程產生的特徵。

接下來，天文學家需要等待的是利用再一次被延遲發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡做進一步的觀測。希望能通過追蹤恆星的軌道來測量星系的質量，而不僅僅只是利用明亮球狀星團的運動。

如果天文學家最終發現，在缺乏暗物質的情況下，星系也能夠誕生，那麼我們就需要重新思考：什麼是星系？

參考資料：

[1] http://www.astro.yale.edu/dokkum/papers/mass.pdf

[2] https://www.quantamagazine.org/a-victory-for-dark-matter-in-a-galaxy-without-any-20180328/

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