两个没有暗物质的星系，证明了暗物质的存在

做好人好人好报 2019-05-22

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对于暗物质的本质，天文学家在很大程度上仍然在黑暗中摸索。

天文学家发现了两个看似没有暗物质的星系，他们认为这其实是暗物质存在的有力证据。

图片来源：NASA/ESA/P. VAN DOKKUM/YALE

翻译宋坤

校对/编辑沛米

40 多年前这种神秘的物质在假设中被提出，用来解释基于质量计算得到的星系运动模型的和实际观测之间的误差。简言之，似乎有一部分质量没有被计算进去。因此，发现这一误差的天文学家 Vera Rubin（维拉·鲁宾）推测存在一种看不见的物质，它远比“正常”物质更丰富，并且充当着宇宙大尺度结构的支架。现在我们称之为暗物质。

暗物质颗粒难以捉摸，虽然人们已经对它进行了几十年的探索，但仍未能找到它存在的直接证据。大多数宇宙学家仍然相信暗物质的存在；但是也有人抛开暗物质假设，转而提出其他解释，通过修改对万有引力的理解来消除暗物质这一概念。

新证据出现

但是现在有两项研究结果对修改引力这种解释提出了质疑。今年 3 月，耶鲁大学教授 Pieter van Dokkum 和他的研究生 Shany Danieli 等几位天文学家发表了两篇论文。其中一篇证实了存在一个似乎没有暗物质的星系，另一篇则宣布他们发现了第二个同样的星系。有趣的是，研究人员说，这两个星系看似缺乏暗物质却反而是暗物质存在的强有利证据。

他们相信这两个星系之所以没有暗物质，是因为它们的动力机制可以通过万有引力理论来推测。在大部分星系中观察到的“质量误差”在这里并不存在，因此也就不需要用暗物质来解释它们的行为。也就是说，牛顿物理学可以清晰地预测这两个星系的运动模式，而那些宇宙学家提出的修改引力定义却不能。

对这些无暗物质星系的探索最早始于2014年，当时 van Dokkum 和他的研究生刚搭建好一种名为“蜻蜓”的新型望远镜阵列；它使用现成的长焦距摄像机镜头组装而成，专门用于观察极度模糊的天体。“蜻蜓”亮相仅仅一年后，就发现了一个新的星系；相对于它的大小而言，这个星系的恒星数量极其少。这个幽灵般的天体就是著名的超稀疏星系，它的质量与银河系接近，但只有万分之一的质量由“正常”的恒星组成。换句话说，van Dokkum 和同事发现的这个星系 99.99% 由暗物质组成。

尽管这个星系非常罕见，但是它的存在并不完全令人惊讶。大多数宇宙学家认为，密集的暗物质可作为种子，形成像星系这样的大型天体。来自布鲁克海文国家实验室的天体物理学家Anže Slosar解释说，大概意思就是，当暗物质聚集到一个临界浓度时，它就会在自身引力的作用下发生坍缩，形成所谓的“暗物质晕”。暗物质晕转而将氢气吸引到它的中心，在那里开始形成恒星，并最终形成星系。虽然不同星系中暗物质晕的质量不同，但似乎每个星系都会有一些暗物质来保持自身形态。实际上这一假设正是为什么“蜻蜓”的最新发现如此令人惊讶的原因。

来自同行的怀疑

2016 年，van Dokkum 和同事在耶鲁发现了一个似乎完全不含有暗物质的超稀疏星系—— NGC 1052-DF2。去年，当耶鲁的天文学家在《自然》杂志上发表他们的研究结果时，宇宙学家表示怀疑。这是迄今为止发现的第一个看似无暗物质的星系，正如美国著名天文学家 Carl Sagan（卡尔·萨根）所说，“非凡的主张要有非凡的证据”——许多宇宙学家认为这正是耶鲁团队所缺少的。

宾夕法尼亚大学天体物理学家 Robyn Sanderson 说，大家之对 DF2 星系持怀疑态度，是因为这个结论是基于有限的数据而得出的。在这项研究中，耶鲁团队使用的数据仅仅来自两个夜晚对 10 个星团的观察。这意味着他们可能会忽略星团运动的一些关键细节，从而影响他们对星系质量的估计——这将会破坏他们认为该星系缺乏暗物质的观点。

耶鲁研究人员在发表有关 DF2 的论文时，也认识到了这个可能的误差源。解决这一难题的唯一方法是进行更详细的测量或者寻找另一个与 DF2 特征相似的星系。耶鲁团队今年 3 月发表的两篇文章目的就在于此。

在第一篇文章中研究人员对 DF2 内部恒星速度进行了更精确的测量。这次，van Dokkum 和 Danieli 不仅测量了 10 个星团的速度，还使用安置在夏威夷的凯克望远镜观察了星团内部恒星的速度。通过这种方法他们得到了大量数据，用于强化他们之前的结论。

在另一篇文章中研究人员宣布他们发现了第二个看上去没有暗物质的星系—— DF4。这个发现不仅增加了 DF2 观察结果的可信度，而且也意味着这种超稀疏星系也许并不罕见。Danieli 说，事实上，这两个星系的连续被发现“真的很令人欣慰。”然而，她又说，“现在还很难说，这种超稀疏星系究竟是超级罕见还是非常普遍。” 下月该团队将开始继续观察超稀疏星系附近的其他星系，来努力回答这个问题。

但是这并不能解开最初的谜题——这些奇怪的星系是如何形成的。理论宇宙学家需通过模拟实验来确定星系如何才能失去它的暗物质，她说。一个主流理论涉及了潮汐力，天文学家认为，当两个相邻星系的引力作用使它们都拉扯对方的物质，从而使各自发生扭曲时，潮汐力也发挥了作用。DF2 和 DF4 都接近 NGC1052 星系，后者很可能偷走它们的暗物质。