颠覆认知：摆脱暗物质的星系？

NGC 1052——DF2星系

48个远摄镜头构成了蜻蜓远摄阵列的一部分

■我们的记者张文静

当我们仰望夜空时，我们经常被布满星星的天空所震惊，并惊叹宇宙的浩瀚和深邃。但是，你知道吗？我们能看到的所有星系和我们一起踏上的地球可能只占整个宇宙质量的很小一部分，剩下绝大多数被科学家称为暗物质和暗能量的不可见物质。

这些隐藏的“鬼魂”有巨大的能量。根据暗物质理论的假设和先前的观察，暗物质包裹着星系中的恒星、行星和尘埃等普通物质，其质量通常是普通物质的几十倍甚至几百倍。它们密切跟踪星系，并通过重力影响恒星的演化和分布。

然而，由美国、加拿大和德国组成的联合小组在3月29日凌晨发表在《自然》杂志上的一篇论文推翻了人们先前的认知，即他们发现了一个几乎没有暗物质的星系。这个发现将给我们带来什么关于暗物质的新知识？它会改写宇宙恒星进化的游戏规则吗？

明暗之争

要回答这些问题，首先必须了解宇宙中的光明和黑暗。

万有引力和广义相对论已经成为科学家理解宇宙定律的有力工具。然而，自20世纪20年代以来，随着观测视野的拓宽，这两种理论在从星系到宇宙的尺度计算中经常出现“错误”。例如，根据万有引力理论，太阳绕银河系中心的速度应该在160公里/秒左右，但科学家实际上观察到的速度是240公里/秒。在这个速度下，太阳应该被直接抛出去，但事实上，当然不是。

是爱因斯坦和牛顿错了，还是银河系的实际质量被严重低估了？科学家更喜欢后者。看不见的大质量物质被称为暗物质。

"暗物质理论是在二十世纪二三十年代提出的。"中国科学院国家天文台的研究员郭琦说，加州理工学院的天体物理学家弗里茨·兹维奇(Fritz Zvecchi)利用光谱红移来测量后星系团中每个星系相对于星系团的速度。他发现这些星系移动得如此之快，以至于它们无法被星系团中可见的大量星系所产生的重力束缚住。然而，事实上，银河系并没有飞出星系团，星系团也没有被撕裂。结果，兹维奇得出结论，星系团充满了暗物质，给它提供了足够的引力。

此后，随着观测技术的进步，科学家们发现了更多的天文现象，如微波背景辐射的功率谱和星系团的强引力透镜，这些都支持暗物质理论郭琦说道。

虽然看不见暗物质，但它能产生足够的重力，在它去的地方留下痕迹，科学家可以根据这些痕迹探测到它。根据国际合作项目“暗能量调查”的数据，宇宙质量的26%是暗物质，70%是暗能量，也就是说，恒星和所有星系的质量不到宇宙质量的5%。

暗物质理论提出后，一些长期困扰科学家的问题得到了合理的解释，但它毕竟是一个假说。当然，还有其他不同的观点，其中修正引力理论是最受欢迎的。

所谓对引力理论的修正意味着，如果我们修正现有的牛顿引力理论，原则上就有可能在没有暗物质帮助的情况下解释目前观察到的各种现象。“根据需要解决的问题，引力理论的修正可以大致分为三类:第一，解释通货膨胀的机制；第二是解释暗物质。第三是解释暗能量。修改引力理论在这三个类别中有不同的形式。郭琦表示，尽管如此，暗物质理论仍然是当前的主流模型，“演绎起来相对更简单、更漂亮”。

颠覆认知

根据暗物质理论的假设和先前的观察，在一个星系中，恒星、行星、尘埃和其他普通物质被包裹在一个更广的暗物质晕中，而暗物质的质量通常是这些普通物质的几十倍甚至几百倍。例如，在我们的银河系中，暗物质一般是普通物质的30倍，而在矮星系中，暗物质可以达到普通物质的400倍。这些巨大的暗物质与星系共存，并通过重力影响恒星的演化和分布。

然而，刚刚发表在《自然》杂志上的研究结果显示，科学家发现了一个含量不到普通物质两倍的星系，这相当于几乎不含暗物质的星系。这让人感到困惑。

这个星系叫做NGC 1052——DF2。它是一个位于星系中心1052周围的暗淡的超扩散星系，而星系中心1052是一个椭圆星系，在中心有超大质量的黑洞。

耶鲁大学天文学家彼得·范·多克姆的研究小组通过由48个远摄镜头组成的“蜻蜓远摄阵列”对NGC 105DF2进行了成像观察。他们还使用凯克天文台分光计测量了NGC 105DF 2中10个球状星团的光谱。通过这种方式，研究人员计算了星系团的速度，然后估计了整个星系的总质量。

根据球状星团的速度，研究人员计算出NGC 105DF2的总质量是太阳质量的3.4亿倍，而科学家能观察到的恒星质量已经达到太阳质量的2亿倍。两者的区别在于NGC 105DF2中包含的暗物质的质量。换句话说，NGC 1052——DF2包含的暗物质比普通物质少，只有天文学家预测的1/400。

“几十年来，我们都认为星系始于暗物质云。气态物质落入暗物质光环，并逐渐演化成恒星，积累越来越多，最终银河系诞生了。NGC 1052——DF2星系挑战了这一标准的进化模型。范多康说。

研究人员推测，这个奇怪的星系可能在其孕育早期经历了大的波动，或者可能产生了大量的大质量恒星，扫除了气态物质和暗物质。此外，作者还说NGC105DF2不是一个孤立的案例，因此可能会有更多的星系缺乏暗物质，相关的研究目前正在进行中。

仍有争议。

这项研究的结果表明，暗物质和星系可能并不总是相互跟随。尽管研究表明NGC1052—DF2星系几乎不含暗物质，但它并不否定暗物质理论，而是指出了修正引力理论MOND可能存在的问题。

MOND是由以色列物理学家莫德·米格鲁姆于1983年创建的。"蒙德是修正引力理论的一个分支."郭琦解释说，这项研究的原因是，根据MOND理论，在星系的外围，重力偏离了牛顿引力。如果MOND是正确的，NGC 1052——DF2星系只能通过它的普通物质产生“好像有暗物质”的现象，也就是说，10个球状星团的速度分布应该与科学家迄今观察到的有很大的不同。

但是郭琦说，事实上，MOND的研究人员在论文发表后很快进行了反击。“他们认为这项研究只考虑了NGC 1052——DF2作为单个星系的特征，但它实际上是一个大星系团的成员。如果考虑到大星系团本身的影响，MOND可能也是有效的，所以MOND不能完全被确定为是错误的。”

同时，郭琦也表示，学术界对该论文本身存在一些争议。“动力学质量通常通过测量示踪剂的速度分散来估计。两个因素非常重要:一是样本的数量。这项研究只有10个样本，样本数量非常少，因此数据的不确定性可能达到一个数量级。此外，他们在估算速度色散时没有考虑速度测量的不确定性。考虑到这种不确定性，如果他们用另一种统计方法来计算，最终的结果可能比文中的结果高几倍。换句话说，这个星系可能几乎不包含暗物质，但可能有更多的暗物质。”郭琪解释道。

可见，NGC105DF2的组成及其形成和生长的许多特征仍是未解之谜，需要更多的数据和更精确的测量来解释。

中国科学新闻(2018-020，第四版自然)

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