这些古怪星系里的暗物质去哪了？

天长地久

哈勃太空望远镜拍摄的这张图像展示的是距地球7200万光年的独特星系DF2。天文学家很困惑DF2里缺少束缚着星系的隐形胶水：暗物质。SCIENCE: NASA, ESA, STSCI, ZILI SHEN (YALE), PIETER VAN DOKKUM (YALE), SHANY DANIELI (IAS) IMAGE PROCESSING: ALYSSA PAGAN (STSCI)

撰文：NADIA DRAKE

就像是太空中的一记KO重拳，两个星系在大约80亿年前撞在一起，把彼此的气体打了出去。

这是对一个宇宙奥秘的最新解释。这个奥秘从2018年以来就一直让天文学家们百思不得其解：两个昏暗、松散的星系里似乎完全没有暗物质。最新的观测表明，这类星系可能是一串类似的怪异天体的一部分，而这些天体都是星系相撞产生的碎屑。

此前，关于这两个星系DF2和DF4的详细研究已经表明它们中存在许多奇怪的、明亮的星团。但是，科学家却难以解释这些星系究竟是如何得以存在的，因为，据认为，占宇宙总质量80%的暗物质是星系形成的必备原料。

美国耶鲁大学 Pieter van Dokkum的团队提出的新理论称，宇宙残骸可以解释这一反常现象，以及碎屑分布场的其他特征。他说：“碰撞过程中，气体被剥离、电击，变成了这种没有暗物质将其束缚在一起的混乱环境。之后，这些庞大的不规则气团的一些部分可能会从剩下的气团中分离，自己形成新的小星系。”

Pieter van Dokkum及其同事们构想的这一场景可能需要未来进一步观测才能证实。但如果这一猜想属实，确实是解释这一连串奇怪星系产生原因的巧妙思路。而且，正如他们在《自然》上刊文所描述的那样，这场星系碰撞甚至有助于理解暗物质本身的一些基本特性。

Pieter van Dokkum说：“对我而言，这就是真理。这个解释非常简单，是迄今为止能解释这么多特性的唯一理论，比如球状星团、两个完全没有暗物质的完全相同的星系等特性，全都解释得通。”

宇宙中看不见的物质

通常，一个星系的大部分重量都来自暗物质。20世纪60年代末，天文学家Vera Rubin做出了类似的猜测。她推断，一定存在某种大量无形的东西束缚着仙女座星系边缘的恒星。如果没有这种引力“黏合着”，那些恒星就会消失，而其他旋转星系边缘的众多恒星也将如此。

在Vera Rubin提出猜测至今已过去半个世纪，天文学家们仍然没能直接观测到暗物质。它不发光也不反光，不直接与常规物质发生反应，不过，它的引力会影响恒星、星系等可观测天体的行为。科学家还认为星系需要暗物质来聚集足够的气体，从而让恒星诞生。

但是，2018年，Pieter van Dokkum观测到了NGC1052-DF2星系（简写为DF2星系），它看上去极度缺乏暗物质。DF2远在大约7200万光年之外，是一个巨大的椭圆形星系，大部分区域是昏暗而弥散的，散布着一系列极度明亮而巨大的星团。当Pieter van Dokkum及其同事们计算这个星系的质量时，他们发现其中最多也只含有一丁点暗物质。

Pieter van Dokkum说：“起初的发现确实出人意料，即便是我们也感到意外，我们无法解释这种天体。因此，我们一边看着这个无法解释的天体，一边继续用它来就许多重要话题发表大量观点。我认为这种情况引起了许多人的注意，但也持怀疑态度。”

此后，Pieter van Dokkum及其同事们验证了起初在这个星系里观测到的许多特征。他得意地说：“我们很幸运我们是对的，事情本不会那么顺利。”2019年，他们在同一个星系群中发现了另一个星系DF4，几乎完全一样地怪异。它也昏暗且弥散，似乎缺乏暗物质，也点缀着一团团奇怪的恒星。

“这两个星系都很独特。在宇宙中，除了彼此，没有其他星系与之相似。” Pieter van Dokkum说道。

另外一群天文学家发现了另有起码一个星系的暗物质似乎也低得出奇，不过那个星系的方位比DF2和DF4更难测量。

然而，真正的问题是：这些奇怪的星系究竟是怎么形成的？

让宇宙时光倒流

2019年和2020年，Pieter van Dokkum及其同事们将哈勃望远镜对准了DF2和DF4,。他们发现，DF2远得多，而且这两个古怪的星系正在远离彼此。这意味着如果你把这两个星系的动作倒放，它们最终会融合到太空的同一个点：远古的一场高速碰撞地点。

当这两个最初的星系碰撞时，它们的暗物质部分继续行进，照常在太空中快速行进。但是，它们所有的气体最终都变成了杂乱、炽热、高压的气堆（gas heap），而恰是这种环境中才能诞生DF2和DF4中那种大量、巨大的星团。

对这类碰撞的模拟表明，最初的气堆碎裂成块，在数十亿年的岁月里四散开来，留下一串昏暗、松散的轻量级星系。当Pieter van Dokkum及其同事研究了NGC1052星系的深度图像后，他们发现有11个星系连成一排，其中就包括DF2和DF4。

Pieter van Dokkum说：“起初的观测结果很令人困惑，然后我们突然间恍然大悟。随后我们做出了一些预测，比如你可以沿着这条轴线发现更多星系，之后我们还真的就发现了。”

Pieter van Dokkum称，在这一串星系两端的两个星系，应该富集着最初相撞的那两个星系的暗物质，但是，验证这一点会很难，因为这两个星系非常昏暗，难以观测到细节。

解开星空中的线索

虽然关于这疑似一串的星系还有许多疑问，但一些科学家认为Pieter van Dokkum团队的说法似乎可以解释这些缺乏暗物质的星系的形成和成长过程。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校研究暗物质与星系形成的Mike Boylan-Kolchin说：“这个说法之所以吸引人有几个原因。最大的原因就是它能同时解释这种系统的多个方面。”

Mike Boylan-Kolchin补充道，如果这一设想正确，它将有助于天文学家深入了解暗物质的“黏性”如何：它是否像与普通物质不发生反应那样与自身也不反应，或者它是否有一定程度的自身相互作用。他还说，这个星系碰撞理论有一个尤其棒的结果就是，它能解释DF2和DF4中奇特的星团。

Mike Boylan-Kolchin说：“这些系统中最大的难题之一就是，它们似乎拥有质量超大的星团，而这是为什么呢？这种星系与星系的碰撞机制确实能产生额外的一系列更大质量的星团。”

然而，其他一些天文学家并不信服。

英国萨里大学研究星系形成的Michelle Collins说：“某种程度上说，这只是一个大谜团的开始。”她说此时此刻这个设想还只是个推测，而且我们不知道最初的星系是否包含足够的物质来产生Pieter van Dokkum及其同事们所观测到结果。

知晓假定的碎屑轨迹上的11个星系的距离也很关键，因为这关乎它们究竟是同一个系统的一部分，或者它们只是恰巧排列成看似相关的样子，正如与地球上距离相当远的一些恒星在星座中看上去很近一样。

她说：“目前压根还没有足够的数据把这些星系与我们常见的星系区分开来。我们很容易把事物的意义归因为模式。”

验证这个碰撞理论还需时日，但Pieter van Dokkum称这个理论拥有可验证的预测。例如，他渴望研究DF4中的星团，并与DF2中星团的年龄作对比。如果它们的年龄匹配，就能有力地说明这两个星系的起源相同。

他还将利用哈勃望远镜对准碎屑轨迹上的其他疑似星系，观测它们是否拥有同样奇怪的星团，并测量它们的运动和距离，来确定它们最初是否真的属于同一个结构。

如果他和团队走运的话，他们甚至可以仔细观察一番轨迹两端的两个昏暗星系，并尝试弄清它们是不是最初的星系留下的富含暗物质的遗存。不过，这个研究计划需要借助下一代陆基望远镜，或者美国宇航局的韦布太空望远镜。

Pieter van Dokkum说：“那就太棒了。测量这些星系，将是解开这套系统之谜的必杀技。”

(译者：mikegao)