两个没有暗物质的星系，证明了暗物质的存在

来源：科研圈

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。

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。

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。

螺旋星系梅西耶33的旋转曲线（黄、蓝点带误差条），以及根据可见物质的分布预测出的一条（灰）线。这两条曲线之间的差异可以通过在星系周围增加一个暗物质晕来解释

图片来源：Mario De Leo/wikipedia

不论这些星系是如何形成的，Danieli 说，对于那些为了解释为什么星系的活动与我们的预期不同，而修改万有引力的尝试，这些星系的存在都是一个打击。

作为修正的牛顿动力学，MOND 理论重新定义了引力，使之在星系层面上有不同的作用。尽管 MOND 成功地预测了数百个星系的恒星运动，但它们大多数是相对孤立的恒星。这个理论必须能够预测所有星系的运动模式，才能够撼动暗物质作为宇宙学理论的地位。

就如 Slosar 解释的那样，DF2 和 DF4 强化了暗物质颗粒存在的可能性，因为它意味着暗物质颗粒可以与正常物质分离。因为这些星系的行为和标准引力理论相符，可以使用牛顿和开普勒公式推算，这对 MOND 理论来说是一个挑战。

“如果你发现一些星系有很多暗物质，而另一些星系几乎没有，你不能用引力缺失来解释；除非你承认一部分宇宙的引力定律与另一部分的不同，这真是太蠢了。” Slosar 说。“物理学的全部意义就在于发现始终存在的统一规律。这就是为什么暗物质的存在一直受到争议的原因。”

那么缺乏暗物质星系的存在对 MOND 理论构成威胁了吗？美国凯斯西储大学的一位天文学家 Stacy McGaugh 认为并非如此。“当 DF2 第一次被发现时，它被描述成 MOND 理论的一个大难题。但经过更仔细的分析发现，MOND 恰好预测了所观察到的现象”  McGaugh 说。

基于DF2与其邻近的巨大椭圆星系 NGC1052 之间的距离， McGaugh 和同事分析了 DF2 对 MOND 的影响。在一系列“合理”假设下，结合 MOND 公式，他们发现 NGC1052 对 DF2 的引力效应会得到与 van Dokkum 和 Danieli 实际观察结果相似的恒星速度。尽管还没有机会对 DF4 重复这个分析，McGaugh 说“既然该星系可能受到 NGC1052 的影响，它似乎也与 MOND 理论相一致。”

对星系形成理论来说这些星系的存在造成了许多棘手问题，它必须解释一个星系中的暗物质被猛烈剥离后如何维持相对秩序，就像 DF2 和 DF4 中的星团那样。对超稀疏星系的进一步观察会解决关于暗物质的争论吗？也许不能，但至少它们将带来一些曙光。