u8bets-构成宇宙基本架构的暗物质,占宇宙物质能量总数的27%,可这个星系却几乎没有暗物质

u8bets,本文刊载于《三联生活周刊》2018年第14期,原文标题《空荡荡的星系》

“蜻蜓”长焦镜头系列开发者之一天文学家罗伯托·亚伯拉罕

若是有人告诉你,他发现了一幢没有地基和房梁,甚至连墙壁都没有的房子,你一定会大感迷惑,奇怪这样的房子怎么会存在。实际上,因为耶鲁大学一个天文学探测小组的发现,世界上很多天文学家此时也正有着类似的迷惑。

人类发现的大部分星系,主要由暗物质、恒星和星际气体与尘埃组成,其中暗物质通常是星系最重要的组成部分。根据天文学家的理解,正是因为暗物质的聚集,在引力的作用下吸引星际气体的聚集,进而逐渐产生出恒星。不发光、不和普通物质发生相互作用的暗物质可以看作一个星系的基础,它播下恒星的种子,逐渐塑造出整个星系的结构。

正因为这样的思路在天文学家的心中早已根深蒂固,当耶鲁大学的天文学家彼得·范·多克姆(pieter van dokkum)与合作者们于2018年3月29日在《自然》(nature)杂志发表论文报告他们的探测结果后,也就迅速在全世界的天文学界引发了巨大的轰动。这篇论文的题目非常简单——《一个缺少暗物质的星系》(a galaxy lacking dark matter),实际上这个题目已经说明了一切。

范·多克姆与多伦多大学的天文学家罗伯托·亚伯拉罕(roberto braham)共同开发了一套名为“蜻蜓”的长焦镜头阵列(dragonfly telephoto array),在美国新墨西哥州专门用来观测此前容易被其他天文学家们所忽略的在天空中显得暗淡稀疏的星系。这个天文探测阵列的镜头数量不断增加,做出的发现也越来越多,其中最让人感到吃惊的莫过于在6500万光年之外,一个名为ngc1052-df2的星系的性质。

ngc1052-df2星系的大小与银河系相似,但在天空中看上去非常稀疏。通常来说,一个星系中可见物质所占的比例不高,想要测量星系的总质量,主要需要探明星系中暗物质的质量,这就需要观测暗物质的引力作用在星系中的影响。范·多克姆与合作者们测量了ngc1052-df2星系中10个星团的运动速度。一般来说,一个星系的质量越大,为了保证不因为引力作用坠入星系的内部,星系外围星团的运动速度也就需要更快,因此通过观察星团的运动速度,再运用简单的牛顿力学就可以大致估算出一个星系的总质量。

计算结果出乎所有人意料——ngc1052-df2星系中不含有,或者说只含有极少的暗物质。也就是说,人们所见到的ngc1052-df2星系就是它的全部,而在其他星系的形成和发展过程中必不可少的暗物质,在这个星系中基本不存在。这个看上去与银河系规模相当的黯淡星系,质量只有银河系的大约0.5%。不仅如此,这个星系的结构也与大多数星系不同。与漩涡星系比较,ngc1052-df2并没有一个致密的中心区域,也没有旋臂和旋转盘面,同时它也不像椭圆星系拥有一个中心黑洞。

这个观测结果显得简单明了,无可辩驳。但是包括做出这个发现的天文学家在内,所有人一时都没法理解这个发现意味着什么。暗物质被认为是构成宇宙基本架构的主体,它占到整个宇宙中物质能量总数的27%,而所有可见物质的总量才占到宇宙的5%。可以说是可见物质因为引力作用,依附在由暗物质构成的巨大的宇宙网络上,从而形成了各个星系(例如银河系中暗物质质量就是可见物质质量的30倍以上)。那么,没有暗物质的星系又是如何形成的?

已经有天文学家提出了各种猜想,例如在ngc1052-df2星系附近还有一个巨大的星系,或者ngc1052-df2星系是由两个星系相互碰撞而成,逐渐脱离了原有的暗物质架构……这些猜想目前看起来成立的可能性都不大。通过这次观测,天文学家们起码认识到了,星系形成的方式可能不止一种,而星系的种类,也可能远比人们此前知道的要多。除了ngc1052-df2星系之外,在利用蜻蜓长焦镜头阵列发现的稀疏星系中,还有其他构成独特的星系。例如dragonfly 44星系的外观看上去和ngc1052-df2星系相差不大,但是经过测量,这个星系中的暗物质占到了总质量的99%以上。

从另一个角度来说,ngc1052-df2星系的发现又有着重要意义,它证明了暗物质确实存在。

多年以来,人类试图用各种实验探测暗物质的性质,但是至今都没有任何突破性的进展,连暗物质的基本组成形式都不清楚。这种神秘的物质因为不发光,又几乎不与普通物质发生相互作用,人类只能在宇宙尺度上通过引力作用探测它的分布和运动状况。也正是因为如此,一直有科学家认为,暗物质实际上并不存在;人类之所以能够在天文学观测中发现暗物质,是因为在星系的尺度上,引力的作用形式与人们当前的理解不同,因此星系中天体的运动状态自然与人类估算的有所不同,这才被人类误以为有所谓暗物质的存在。一些持有这种观点的科学家们提出了“衍生引力理论”(emergent gravity),试图对现有的引力理论进行修正,以此否认暗物质的存在。

在这种情况下,ngc1052-df2星系和dragonfly 44星系的发现就成了对“衍生引力理论”最有力的反击,单单依靠可见物质,无论如何修正引力理论都无法解释星系间的不同,这也就成了暗物质确实存在的最有力证据。根据观察,ngc1052-df2星系中大约含有2亿颗恒星,还有数量不多的星际气体和灰尘,这也就是这个星系的全部所有了。范·多克姆说,足足有一个小时的时间,他只是盯着哈勃太空望远镜拍摄的这个星系的照片,它显得如此空洞,甚至可以直接看到星系背后的景象。正是这个星系,让天文学家们不得不重新思考星系的形成和成长过程,以及暗物质在其中的角色。

天文学家们也急于知道ngc1052-df2星系的年龄。目前看来它的年龄应该在100亿年以上,但是如果这个星系的真实年龄达到130亿年左右,那么它也将是宇宙中最早形成的星系之一。想要对这个星系有更多了解,当务之急是对它进行更细致的观测。范·多克姆希望能够利用哈勃望远镜、斯隆数字巡天项目,甚至是还没有投入工作的詹姆斯·韦伯太空望远镜,对它进行彻底的研究。或许人们现在的发现还只是冰山一角而已。