兩個沒有暗物質的星系，證明了暗物質的存在
對於暗物質的本質，天文學家在很大程度上仍然在黑暗中摸索。
天文學家發現了兩個看似沒有暗物質的星系，他們認為這其實是暗物質存在的有力證據。
圖片來源：NASA/ESA/P. VAN DOKKUM/YALE
翻譯 宋坤
校對/編輯 沛米
40 多年前這種神秘的物質在假設中被提出，用來解釋基於質量計算得到的星系運動模型的和實際觀測之間的誤差。簡言之，似乎有一部分質量沒有被計算進去。因此，發現這一誤差的天文學家 Vera Rubin（維拉·魯賓）推測存在一種看不見的物質，它遠比「正常」物質更豐富，並且充當著宇宙大尺度結構的支架。現在我們稱之為暗物質。
暗物質顆粒難以捉摸，雖然人們已經對它進行了幾十年的探索，但仍未能找到它存在的直接證據。大多數宇宙學家仍然相信暗物質的存在；但是也有人拋開暗物質假設，轉而提出其他解釋，通過修改對萬有引力的理解來消除暗物質這一概念。
新證據出現
但是現在有兩項研究結果對修改引力這種解釋提出了質疑。今年 3 月，耶魯大學教授 Pieter van Dokkum 和他的研究生 Shany Danieli 等幾位天文學家發表了兩篇論文。其中一篇證實了存在一個似乎沒有暗物質的星系，另一篇則宣布他們發現了第二個同樣的星系。有趣的是，研究人員說，這兩個星系看似缺乏暗物質卻反而是暗物質存在的強有利證據。
他們相信這兩個星系之所以沒有暗物質，是因為它們的動力機制可以通過萬有引力理論來推測。在大部分星系中觀察到的「質量誤差」在這裡並不存在，因此也就不需要用暗物質來解釋它們的行為。也就是說，牛頓物理學可以清晰地預測這兩個星系的運動模式，而那些宇宙學家提出的修改引力定義卻不能。
對這些無暗物質星系的探索最早始於2014年，當時 van Dokkum 和他的研究生剛搭建好一種名為「蜻蜓」的新型望遠鏡陣列；它使用現成的長焦距攝像機鏡頭組裝而成，專門用於觀察極度模糊的天體。「蜻蜓」亮相僅僅一年後，就發現了一個新的星系；相對於它的大小而言，這個星系的恆星數量極其少。這個幽靈般的天體就是著名的超稀疏星系，它的質量與銀河系接近，但只有萬分之一的質量由「正常」的恆星組成。換句話說，van Dokkum 和同事發現的這個星系 99.99% 由暗物質組成。
儘管這個星系非常罕見，但是它的存在並不完全令人驚訝。大多數宇宙學家認為，密集的暗物質可作為種子，形成像星系這樣的大型天體。來自布魯克海文國家實驗室的天體物理學家An?e Slosar解釋說，大概意思就是，當暗物質聚集到一個臨界濃度時，它就會在自身引力的作用下發生坍縮，形成所謂的「暗物質暈」。暗物質暈轉而將氫氣吸引到它的中心，在那裡開始形成恆星，並最終形成星系。雖然不同星系中暗物質暈的質量不同，但似乎每個星系都會有一些暗物質來保持自身形態。實際上這一假設正是為什麼「蜻蜓」的最新發現如此令人驚訝的原因。
來自同行的懷疑
2016 年，van Dokkum 和同事在耶魯發現了一個似乎完全不含有暗物質的超稀疏星系—— NGC 1052-DF2。去年，當耶魯的天文學家在《自然》雜誌上發表他們的研究結果時，宇宙學家表示懷疑。這是迄今為止發現的第一個看似無暗物質的星系，正如美國著名天文學家 Carl Sagan（卡爾·薩根）所說，「非凡的主張要有非凡的證據」——許多宇宙學家認為這正是耶魯團隊所缺少的。
賓夕法尼亞大學天體物理學家 Robyn Sanderson 說，大家之對 DF2 星系持懷疑態度，是因為這個結論是基於有限的數據而得出的。在這項研究中，耶魯團隊使用的數據僅僅來自兩個夜晚對 10 個星團的觀察。這意味著他們可能會忽略星團運動的一些關鍵細節，從而影響他們對星系質量的估計——這將會破壞他們認為該星系缺乏暗物質的觀點。
耶魯研究人員在發表有關 DF2 的論文時，也認識到了這個可能的誤差源。解決這一難題的唯一方法是進行更詳細的測量或者尋找另一個與 DF2 特徵相似的星系。耶魯團隊今年 3 月發表的兩篇文章目的就在於此。
在第一篇文章中研究人員對 DF2 內部恆星速度進行了更精確的測量。這次，van Dokkum 和 Danieli 不僅測量了 10 個星團的速度，還使用安置在夏威夷的凱克望遠鏡觀察了星團內部恆星的速度。通過這種方法他們得到了大量數據，用於強化他們之前的結論。
在另一篇文章中研究人員宣布他們發現了第二個看上去沒有暗物質的星系—— DF4。這個發現不僅增加了 DF2 觀察結果的可信度，而且也意味著這種超稀疏星系也許並不罕見。Danieli 說，事實上，這兩個星系的連續被發現「真的很令人欣慰。」然而，她又說，「現在還很難說，這種超稀疏星系究竟是超級罕見還是非常普遍。」 下月該團隊將開始繼續觀察超稀疏星系附近的其他星系，來努力回答這個問題。
但是這並不能解開最初的謎題——這些奇怪的星系是如何形成的。理論宇宙學家需通過模擬實驗來確定星系如何才能失去它的暗物質，她說。一個主流理論涉及了潮汐力，天文學家認為，當兩個相鄰星系的引力作用使它們都拉扯對方的物質，從而使各自發生扭曲時，潮汐力也發揮了作用。DF2 和 DF4 都接近 NGC1052 星系，後者很可能偷走它們的暗物質。
螺旋星系梅西耶33的旋轉曲線（黃、藍點帶誤差條），以及根據可見物質的分布預測出的一條（灰）線。這兩條曲線之間的差異可以通過在星系周圍增加一個暗物質暈來解釋
圖片來源：Mario De Leo/wikipedia
反對修改萬有引力
不論這些星系是如何形成的，Danieli 說，對於那些為了解釋為什麼星系的活動與我們的預期不同，而修改萬有引力的嘗試，這些星系的存在都是一個打擊。
作為修正的牛頓動力學，MOND 理論重新定義了引力，使之在星系層面上有不同的作用。儘管 MOND 成功地預測了數百個星系的恆星運動，但它們大多數是相對孤立的恆星。這個理論必須能夠預測所有星系的運動模式，才能夠撼動暗物質作為宇宙學理論的地位。
就如 Slosar 解釋的那樣，DF2 和 DF4 強化了暗物質顆粒存在的可能性，因為它意味著暗物質顆粒可以與正常物質分離。因為這些星系的行為和標準引力理論相符，可以使用牛頓和開普勒公式推算，這對 MOND 理論來說是一個挑戰。
「如果你發現一些星系有很多暗物質，而另一些星系幾乎沒有，你不能用引力缺失來解釋；除非你承認一部分宇宙的引力定律與另一部分的不同，這真是太蠢了。」 Slosar 說。「物理學的全部意義就在於發現始終存在的統一規律。這就是為什麼暗物質的存在一直受到爭議的原因。」
MOND理論應戰
那麼缺乏暗物質星系的存在對 MOND 理論構成威脅了嗎？美國凱斯西儲大學的一位天文學家 Stacy McGaugh 認為並非如此。「當 DF2 第一次被發現時，它被描述成 MOND 理論的一個大難題。但經過更仔細的分析發現，MOND 恰好預測了所觀察到的現象」 McGaugh 說。
基於DF2與其鄰近的巨大橢圓星系 NGC1052 之間的距離， McGaugh 和同事分析了 DF2 對 MOND 的影響。在一系列「合理」假設下，結合 MOND 公式，他們發現 NGC1052 對 DF2 的引力效應會得到與 van Dokkum 和 Danieli 實際觀察結果相似的恆星速度。儘管還沒有機會對 DF4 重複這個分析，McGaugh 說「既然該星系可能受到 NGC1052 的影響，它似乎也與 MOND 理論相一致。」
對星系形成理論來說這些星系的存在造成了許多棘手問題，它必須解釋一個星系中的暗物質被猛烈剝離後如何維持相對秩序，就像 DF2 和 DF4 中的星團那樣。對超稀疏星系的進一步觀察會解決關於暗物質的爭論嗎？也許不能，但至少它們將帶來一些曙光。
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