新發現的兩個奇怪星系或暗示著暗物質研究的重大突破！

奇異的NGC 1052-DF2星系，它是一個由恆星、氣體和塵埃組成的超漫射星系，而很明顯，這個星系中並沒有暗物質。來源：NASA, ESA, and P. van Dokkum (Yale University)

就像池塘里的漣漪暗示著有一顆石頭被扔進了池塘一樣，暗物質這種神秘物質的存在，也是通過其對宇宙的廣泛影響被推斷出來的。天文學家無法直接看到暗物質，但暗物質的引力塑造了星系的誕生、形狀和運動。這使得去年的一個發現更加出人意料：一個奇怪的漫射星系似乎根本沒有暗物質。

就在一些研究人員歡呼這一發現的同時，另一些人也表達了他們的懷疑，並批評了對銀河系距離和運動的測量。這個發現蘊藏著巨大的風險：如果說這個星系確實缺乏暗物質，那就將自相矛盾地承認這種物質的存在。而現在，這個完成這個發現的團隊帶著額外的證據回來證實他們最初的發現，再加上一個似乎也缺乏暗物質的新發現星系。曾經，宇宙中只有一個看起來缺乏暗物質的超漫射星系，但現在似乎有了兩個。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)沒有參與這項研究，但他說：「如果你只看到一個物體的一個個例，你可以把它看成「獨角獸」(即不真實的，不具有普遍性)，但一旦你發現了兩隻獨角獸，你就會開始認為這種獨角獸可能是真實存在的，然後你就得開始擔心它們是怎麼來的，它們的特性是什麼，它們有多普遍。」

尋找獨角獸

這兩個星系發出的光亮非常微弱，而且離地球很遠：來自這些未知恆星的光子在地球的恐龍時代末期就開始向地球傳播(大約6500萬年前)。最初名為NGC 1052-DF2的星系，大小與銀河系相當，但星系中的恆星數量只有銀河系恆星的1%。新發現的NGC 1052-DF4星系與前者位於同一個天空區域中，大小和質量大致相同。(「DF」這個名字來自於獲得這些發現的蜻蜓望遠鏡頭陣列(Dragonfly Telephoto Array)，該陣列專門探測微弱的宇宙物體。)

去年3月，由耶魯大學的Shany Danieli和Pieter van Dokkum領導的研究人員發表了一項研究，該研究通過觀察NGC 1052-DF2星系的星光以及它周圍星團的運動來對其大小進行評估。如果DF2星系包含的暗物質與天文學家通常對這樣一個星系的預期一樣多的話，那麼暗物質將提高這些星團的軌道速度。但是它們移動非常緩慢，這表明暗物質在該星系中並不存在。但批評人士反駁說，這些星團的速度沒有得到正確的計算，而且，即使計算是正確的，他們也認為僅僅只有10個的星團樣本規模太小了，不足以可靠地確定DF2星系的暗物質含量。

後來在去年10月份，Danieli開始用一種不同的方法來解決這個問題。她使用了一種名為凱克宇宙網路成像儀的新儀器，這個新儀器被安裝在夏威夷凱克2號望遠鏡巨大的10米主鏡後面，該儀器能夠以極高的解析度來測量物體發出的非常微弱的光，使其成為觀察NGC 1052-DF2等超漫射星系的理想儀器。其實依靠這個如此先進的儀器，Danieli已經不再需要通過研究星團的運動來推斷星系的質量，相反，她可以利用星系的星光來更直觀地得到星系的質量。

至於信息方面，這些星光包含大量信息，通過將星光分解成組成它的顏色(即一種被稱為光譜學的方法)，科學家可以確定恆星的組成成分、年齡、在宇宙中的方向和速度。這些信息大多以光譜線的形式傳遞(光譜線是恆星光譜中由於各種化學元素的發射或吸收而鑲嵌在光譜中的線性特徵)。凱克儀器測量了DF2星系中大約1000萬顆恆星的光譜。星系中速度最快和速度最慢的恆星之間的範圍可以讓我們知道有多少物質與它們相互作用。物質越多(無論是暗物質或其他物質)，恆星速度的範圍就越大。Danieli說：「令我們吃驚的是，我們測量到了非常窄的光譜線，除了星系中恆星所貢獻的質量以外，幾乎沒有其他空間來容納更多的質量。」即意味著沒有空間來容納暗物質。

與此同時，歐洲南方天文台的埃里克·埃姆塞勒姆(Eric Emsellem)和他的同事們正在智利阿塔卡馬沙漠用巨型望遠鏡仔細觀察這個星系，他們同樣發現了低速度分散範圍，這支持了此前缺乏暗物質的假設。

法國斯特拉斯堡大學(University of Strasbourg)的天文學家尼古拉斯·馬丁(Nicolas Martin)是這篇論文的評論者之一。在去年發表的後續著作中，他認為，僅基於周圍星團的運動來估計DF2星系的質量太難了。但是馬丁說，他對Danieli和埃姆塞勒姆的最新結果感到放心。「多虧了地球上最大望遠鏡上的新儀器才使這成為可能。坦白說，一年前我並不知道這行不行得通，那時候我還沒有把握去說這個星系很奇怪，因為我覺得這種測量方法並不能完全支持這個數據。但是現在有兩個不同的團隊已經測量了這些恆星自身的速度範圍，現在我認為很明顯這是一個奇怪的星系。」

Danieli上周在普林斯頓大學的暗物質會議上展示了她的新發現，並將其提交給《天體物理學雜誌快報》發表以供同行評議。

在另一篇論文中，她描述了一些對DF4星系的觀察結果，這些結果由她和幾個同事去年用哈勃太空望遠鏡觀測所得。Danieli和她的同事研究了圍繞DF4運轉的7個星團，發現它們都在緩慢地移動，這表明星系中幾乎沒有暗物質。他說，結合此前的研究，幾乎背靠背地隱藏在同一塊天空區域中的DF2和DF4星系表明，宇宙中存在著一整類這樣的暗物質缺乏的星系。

尋找失蹤的物質

一些天文學家對於這些星系最初是如何形成、以及星系中的暗物質去了哪裡感到困惑。博伊蘭-科爾欽(Boylan-Kolchin)說，一種可能性是附近一個大得多的星系的引力剝離了這些星系的暗物質。或者DF2和DF4可能根本不是星系，只是偽裝成星系的普通恆星集;在這種情況下，這些孤立的恆星群可能是由來自另一個地方的氣流碰撞形成的。馬丁說，也有可能存在更單調的可能，比如星系相對於地球的方向不利於我們獲得它們運動的精確光譜測量。「我對這個系統有點糾結。這個星系是很有趣，也需要我們去解釋，但這個解釋很可能會很平常，例如只是角度不對之類的。」

但有一件事是明確的：如果這種現象能毫無疑問地得到證實，星系中缺乏暗物質將最終證明暗物質與恆星、氣體、塵埃和其他常規物質是可以分離的，並且將進一步支持暗物質存在的說法。

到目前為止，儘管進行了幾十年的積極探索，還沒有人能確定地探測到暗物質。由於缺乏證據，一些天體物理學家通過發展一系列名為「緊急引力」(emergent gravity)和「修正牛頓力學」(modified Newtonian dynamics)等的假設來開始尋找其他方法來解釋塑造星系和記錄星系的運動。這種觀點的支持者認為，大多數天文學家認為暗物質塑造星系的作用實際上可能是一種我們還無法理解的物理現象。但如果是這樣的話，我們在其他任何地方都可以觀察到這些條件。像NCG 1052 DF2和DF4這樣的星系也會受到這些假設引力的影響，而這些理論也會需要以某種方式來解釋這些星系的奇異之處(目前這些理論還沒有做到)。因此，這些星系的獨特之處表明這些假設的其他理論引力是錯誤的，只有暗物質才是罪魁禍首。

凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)天文學家、某些假設理論引力的支持者斯泰西·麥克戈(Stacy McGaugh)指出，埃姆塞勒姆的速度-色散測量值幾乎是Danieli的兩倍。他說：「我們必須聲明我們仍在等待這一問題得到解決，我希望看到一致的數據。但這個數據只與恆星一致，與暗物質卻不一致，這就使它變得非常有趣了。接下來你可能要問：這是怎麼發生的?它是一個固有屬性嗎，還有像這樣的星系嗎?我感覺沒有。」

不久之後可能會有更明確的答案;Danieli說，研究小組目前正在尋找其他沒有暗物質的矮星系，「也許這些天體告訴了我們一些暗物質的性質，但現在下結論還為時過早。這當然是我們的希望，但我們首先需要找到更多這樣的星系，並對它們進行更詳細的研究，」她說。

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