撰文 Rebecca Boyle
翻譯 錢濤
審校 金莊維 魏瀟
星系不僅僅是大量恒星的聚集地。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。所謂的暗物質與恒星、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(fā)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(fā)現的，他們的研究在 2018 年 3 月 28 日發(fā)表于《自然》雜志。
（van Dokkum, P., Danieli, S., Cohen, Y., Merritt, A., Romanowsky, A.J., Abraham, R., et al. (2018). A galaxy lacking dark matter. Nature 555, 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，但包含的恒星數量只有其 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)
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恒星數量只相當于我們銀河系中的極小部分——只有 1%。從恒星的稀疏性來看，它并不像一個典型的螺旋星系，而是一個松散連接的、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，那么暗物質的引力會加速環(huán)繞它的幾個星團的運動。相反，范多肯的團隊發(fā)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(guī)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?！彼岢鲞^一種暗物質主導引力的替代理論（譯注：韋爾蘭德的理論中不需要暗物質），但沒有參與此次研究?！凹词鼓阆嘈乓粋€修正引力理論，那你希望看到的也將與這里觀察到的不一致。這對幾乎所有的理論來說都是個問題?！?/span>
暗物質從來沒有被直接看到或測量過，因為它不發(fā)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于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?？茖W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(fā)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恒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），這是一臺位于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(fā)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?！斑@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(fā)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(fā)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系結構，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、位于夏威夷莫納基亞（Mauna Kea）的W.M. 凱克（W.M. Keck）天文臺和雙子座天文臺（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——圍繞星系核運行的致密、球形恒星群。研究人員隨后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(fā)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恒星的質量（譯注：即可見物質的質量）來解釋。
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，并不能根據他們所認為的方式來衡量真正的總質量?！P鍵是看看球狀星團是否真的反映整個星系的質量?！?/span>
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?？赡苁?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(fā)了恒星的形成。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，它們相互碰撞并壓縮，形成少量恒星。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于超大質量黑洞的爆發(fā)，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 確實處于一個可能發(fā)生這類事件的區(qū)域：它位于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(fā)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“涌現引力”（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(qū)別，并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征卻無法被觀察到。
這時，“暗物質的缺失恰恰成了它存在的證據，”范多肯說?！斑@是無法避免的。它可以存在于星系中，也可以不存在于星系中。但它不是一個場，或者某種非物質替代物的‘表象’?！?/span>
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?！八f?！拔艺J為現在還為時過早?！?/span>
后續(xù)觀測，包括對球狀星系團的更詳細的觀測，應該有助于天文學家解決這個問題，并更好地理解這些星系團與星系的關系。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里莎·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云是如何形成的？”她認為，“這毫無疑問是個非常有趣的研究。這真的很神奇?！?/span>
