不存在暗物質的星系首次被發現，它是否會威脅主流天文學理論？

新發現的「超稀疏」星系NGC 1052-DF2 幾乎不包含暗物質。這項 3 月 28 日發表於Nature的研究超出了天文學家們的常規理解，並可能使我們對星系的形成和演化的認知有所突破。

撰文 Rebecca Boyle

翻譯 錢濤

審校 金庄維 魏瀟

星系不僅僅是大量恆星的聚集地。對現代天體物理學家來說，星系更以其「黑暗」的一面而聞名：它們包含的暗物質只有通過對明亮物質的吸引才能被「看到」，而且這些暗物質的質量似乎遠遠超過明亮物質。所謂的暗物質與恆星、氣體一樣，都是星系的基本組成部分，它還為星系的聚集和成長播下了引力種子。

一個星系沒有暗物質——或者說沒有可以模擬暗物質行為的奇特引力效應——確實是一件非常奇怪的事情。找到這樣的星系就像發現沒有火源的煙，沒有原因的結果。然而，這正是耶魯大學天文學家彼得·范多肯（Pieter van Dokkum）和他的同事們剛剛發現的，他們的研究在 2018 年 3 月 28 日發表於《自然》雜誌。

（van Dokkum, P., Danieli, S., Cohen, Y., Merritt, A., Romanowsky, A.J., Abraham, R., et al. (2018). A galaxy lacking dark matter.Nature555, 629. doi: 10.1038/nature25767.）

在哈勃太空望遠鏡的一張照片中看到的「超稀疏」星系NGC 1052-DF2，與我們銀河系的大小相仿，但包含的恆星數量只有其 1%。奇怪的是，它似乎也不包含暗物質。圖片來源：NASA、ESA 和 P.vanDokkum (耶魯大學)

沒有暗物質的超稀疏星系

這個名為NGC 1052-DF2的星系，距離我們大約 6，500 萬光年。它幾乎和銀河系一樣大，但它是「超稀疏」（ultra-diffuse）的，這意味著它所包含的恆星數量只相當於我們銀河系中的極小部分——只有 1%。從恆星的稀疏性來看，它並不像一個典型的螺旋星系，而是一個鬆散連接的、幽靈般的星塵團。如果一個星系中含有與它的大小相匹配的、較為典型的暗物質，那麼暗物質的引力會加速環繞它的幾個星團的運動。相反，范多肯的團隊發現這些星團在 NGC 1052-DF2 周圍緩慢移動，這表明星系中可能只有很少或根本沒有暗物質。這表明暗物質不僅可以與常規可見物質分離，還可以與整個星系分離——這是天文學家迄今從未見過的現象。

阿姆斯特丹大學的理論物理學家埃里克·韋爾蘭德（Erik Verlinde）說：「如果一個確實存在的星系中幾乎沒有暗物質的出現，我認為這對所有有關星系形成的理論都是個問題。」他提出過一種暗物質主導引力的替代理論（譯註：韋爾蘭德的理論中不需要暗物質），但沒有參與此次研究。「即使你相信一個修正引力理論，那你希望看到的也將與這裡觀察到的不一致。這對幾乎所有的理論來說都是個問題。「

暗物質從來沒有被直接看到或測量過，因為它不發光。相反，暗物質的存在是通過它對周圍所有正常物質的引力來推斷的。天體物理學家認為暗物質的引力對於形成宇宙大尺度結構（由星系團組成的細絲狀和片狀結構）至關重要。科學家們甚至測量了這些星系團如何作為引力透鏡，放大來自遙遠的背景星系的光。然而，一些物理學家做出過沒有暗物質的假設，我們所認為的巨大、彎曲星光的大質量不可見物質，實際上是被嚴重誤解的其它東西。

在 2015 發現的超稀疏星系被認為是可以用來理解暗物質的、特別有用的宇宙實驗室。天文學家們一直以來認為，暗物質必定在形成這些缺乏正常恆星物質的天體中起著一定的作用。這一想法促使范多庫姆和他的同事們建造了蜻蜓遠程望遠鏡陣列（Dragonfly Telephoto Array），這是一台位於新墨西哥州的望遠鏡，其目的是為了對超稀疏星系進行仔細觀察。研究人員最初使用「蜻蜓」來研究另外一個完全不同的星系，它似乎擁有幾乎令人難以置信的巨量暗物質，這本身就是一個奇怪的結果。當范多庫姆和他的團隊發現 NGC 1052-DF2 時，他們原本希望能夠觀察到類似的情況。

「但是，我們看到了相反的結果，從而得出了這樣一個不同尋常的結論：這個星系根本沒有暗物質存在的空間，」范多肯說。「這不是我們一直在尋找或期待的東西，完全不是。但你必須要跟隨數據所顯示的方向前進，即使這與你之前發現的情況相矛盾。」

在「蜻蜓」的圖像中，NGC 1052-DF2 看起來像一個標準的超稀疏星系。但是當團隊將它們與斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey）獲得的更精確的圖像進行比較時，他們發現了令人驚訝的不匹配。「蜻蜓」的視野中的那些看似模糊的基本星繫結構，在斯隆的圖像中似乎是些點源。為了解決這一差異，研究小組用哈勃太空望遠鏡、位於夏威夷莫納基亞（Mauna Kea）的W.M. 凱克（W.M. Keck）天文台和雙子座天文台（Gemini Observatory）對銀河系進行了仔細檢查。

點源被證明是10 個球狀星團——圍繞星系核運行的緻密、球形恆星群。研究人員隨後開始測量這些星系團的運動，以此來估算星系的總質量。簡單地說，星系團的繞行速度與星系所包含的正常物質及暗物質的質量有關。利用凱克望遠鏡的信息，研究小組發現球狀星團的移動速度比預期慢得多。

根據星系團的運動和 NGC 1052-DF2 的質量，研究者意識到在這個特殊的星系可能沒有暗物質。所有星系團的運動都可以完全用銀河系可觀測恆星的質量（譯註：即可見物質的質量）來解釋。

爭 論

然而，沒有參與這項新研究的德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學家邁克爾·博伊蘭-科爾欽（Michael Boylan-Kolchin）說，這些測量可能是不完美的。他表示：「另一種可能性是，球狀星團，或他們認為是球狀星團的物體，並不能根據他們所認為的方式來衡量真正的總質量。……關鍵是看看球狀星團是否真的反映整個星系的質量。」

假如這項研究的結果是正確的，有幾個理論可以解釋像 NGC 1052-DF2 這樣的星系是如何在暗物質的「黑手」未觸及的情況下聚集在一起的。可能是 NGC 1052-DF2 曾經是一個平靜的氣體團，最近曾被附近其它看不見的星系所干擾，引發了恆星的形成。或者，范多肯推測，這個超稀疏的、無暗物質的星系可能是由兩股氣體流產生的，它們相互碰撞並壓縮，形成少量恆星。另一個想法，早在在二十多年前，由耶魯大學天文學家普里亞姆瓦達·那塔拉印（Priyamvada Natarajan）首先提出：像 NGC 1052-DF2 這樣的星系可能形成於超大質量黑洞的爆發，這一過程產生的噴流催生的氣體聚集，會形成星系大小的氣體團塊。NGC 1052-DF2 確實處於一個可能發生這類事件的區域：它位於一個巨大的橢圓星系附近，其中心是一個超大質量的黑洞。

另外一種可能性是，在沒有任何直接探測到暗物質的證據的情況下，一些理論家認為它的存在是虛幻的——是其他的東西驅動了星系的進化和引力透鏡。有些人建議修改由艾薩克·牛頓提出的運動定律，發展出一種叫做修正牛頓動力學（Modified Newtonian Dynamics，MOND）的競爭理論。最近，韋爾蘭德提出了一種叫做「湧現引力」（emergent gravity）的理論，其中，引力是量子漲落和暗能量的副產品（暗能量是另一種鮮為人知的現象，可能導致宇宙加速膨脹）。

NGC 1052-DF2 缺乏暗物質對整個理論來說卻是一件潛在的好事，正是這種矛盾的扭曲使得天體物理學變得十分特別。這是因為即使暗物質不是真實的，暗示它存在的觀測是確實存在的。如果大尺度宇宙被另一種稍稍不同的引力所支配，或者是被暗能量場的擾動所支配，觀測效應將不會產生明顯的區別，並且會在所有星系中表現出來——包括 NGC 1052-DF2。然而，在這個奇怪的星系中，預期的奇異效應的特徵卻無法被觀察到。

這時，「暗物質的缺失恰恰成了它存在的證據，」范多肯說。「這是無法避免的。它可以存在於星系中，也可以不存在於星系中。但它不是一個場，或者某種非物質替代物的『表象』。」

韋爾蘭德認為這個新星系不會讓他的想法或修正牛頓動力學（MOND）停止。他說：「我確實相信不需要暗物質來解釋這些觀測現象。與愛因斯坦和牛頓的理論相比，引力的作用方式可能有些變化，但我們還不能立即下結論。「他說。「我認為現在還為時過早。」

後續觀測，包括對球狀星系團的更詳細的觀測，應該有助於天文學家解決這個問題，並更好地理解這些星系團與星系的關係。正在建造的觀測設備，例如智利阿塔卡馬沙漠（Atacama Desert）的歐洲超大望遠鏡（European Extremely Large Telescope），或美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope），應該能夠進行這樣的測量。

沒有參加這項研究的斯坦福大學天文學家裡莎·韋克斯勒（Risa Wechsler）這樣問道：「這種擁有足以形成星系的尺寸和足夠大引力的氣體雲是如何形成的？」她認為，「這毫無疑問是個非常有趣的研究。這真的很神奇。」

https://www.scientificamerican.com/article/astronomers-boggle-at-a-distant-galaxy-devoid-of-dark-matter/

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