距地球7200万光年的独特星系DF2内的暗物

　　由哈勃太空望远镜拍摄的DF2星系影像，这是个距地球7200万光年远的独特星系。天文学家一直对DF2缺乏暗物质的事实感到困惑，而暗物质像是能将星系结合在一起的隐形胶水。 SCIENCE: NASA, ESA, STSCI, ZILI SHEN (YALE), PIETER VAN DOKKUM (YALE), SHANY DANIELI (IAS) IMAGE PROCESSING: ALYSSA PAGAN (STSCI)

　　据美国国家地理（撰文：NADIA DRAKE 编译：邱彦纶）：有一对松散的昏暗星系缺乏「暗物质」这种关键的宇宙组成，现在天文学家可能利用哈勃太空望远镜解开了谜团。

　　有两个星系在大约80亿年前相撞，像是太空中的一记KO重拳那样，互相把对方的气体打了出去。

　　这两个昏暗、松散的星系里，似乎完全没有暗物质（dark matter）存在，这个奥秘从2018年以来就一直让天文学家们百思不得其解。而现在天文学家有了最新的解释，最新的观测显示，这类星系可能是一连串类似的怪异星系的一部分，而这些天体都是星系相撞产生的残骸。

　　在这之前，有关这两个星系DF2和DF4的详细研究，已经显示它们内部存在许多奇怪的明亮星团。但科学家却难以解释这些星系是如何得以存在的，因为，据认为，占宇宙组成80%以上的暗物质是星系形成的基本成分。

　　由美国耶鲁大学彼得．范．多库姆（Pieter van Dokkum）领军的团队，提出一种新的理论，他们认为这场「宇宙车祸」可以解释这些反常天体，以及残骸分布的其他特征。 「在碰撞过程中，气体被剥离和冲击，变成这种没有暗物质将其束缚的混乱环境，」范．多库姆说：「然后，这些庞大不规则气体团块的一部分可能会从剩下的气体云中分离，自己形成新的小星系。」

　　范．多库姆和他的同事所设想的这种情景，可能需要未来进一步的观测才能证实。但如果这个猜想正确，这确实会是解释这一连串奇怪星系产生原因的聪明想法。正如最近在《自然》（Nature）期刊上所描述的那样，这场星系碰撞甚至可能帮助科学家理解暗物质本身的一些基本特性。

　　「对我而言，这个说法似乎能成立，」范．多库姆说：「这个解释非常简单，也是迄今为止唯一能解释这么多特性的理论，从球状星团、两个同样都没有暗物质的星系，以及我们现在发现的怪异星系排列，全都解释得通。」

　　宇宙中看不见的物质

　　星系的大部分质量通常都来自于暗物质。在1960年代后期，天文学家薇拉．鲁宾（Vera Rubin) 做出了类似的推测，她认为一定有某种大质量的不可见物质束缚着仙女座星系（Andromeda Galaxy）边缘的恒星，不让它们向外飞散。如果没有这种「重力胶水」，这些恒星就会消失，其他许多旋转星系边缘的恒星也是如此。

　　自鲁宾提出这样的猜想已有半个世纪之久，天文学家仍然从未直接观察到暗物质。它不发射也或不反射光，不会直接与普通物质产生交互作用，不过它的重力会影响恒星和星系等可观测天体的行为。科学家还认为，星系需要暗物质来累积足够的气体，从而开始孕育恒星。

　　但在2018年，范．多库姆发现了一个名为NGC1052-DF2的星系，简称DF2。这个星系似乎极度缺乏暗物质。 DF2距离地球约7200万光年，位在一个大型椭圆星系附近，星系的大部分区域黑暗且弥散，却散布着一连串极度明亮的巨大星团。当范．多库姆和他的同事计算这个星系的质量时，他们发现DF2最多也只会有一点点的暗物质。

　　「最初的发现确实令人惊讶，对我们来说也是如此──我们无法解释这样的天体，」范．多库姆说：「所以，我们一边看着这个我们无法解释的天体，一边继续用它对重要议题发表许多主张，我认为这种情况引起了许多人的注意，但也让他们抱持着怀疑的态度。」

　　在那之后，范．多库姆和他的同事验证了最初在这个星系中观测到的许多特征。 「我们很幸运，我们是对的──事情往往不一定会如此顺利。」范．多库姆笑着说。在2019年，他们在同一个星系群中发现了另一个几乎同样奇特的DF4星系，也一样昏暗且弥散，似乎缺乏暗物质，也奇特地有星团散布。

　　范．多库姆表示：「这两个星系都很独特，在宇宙中，除了彼此，没有其他相似的星系」。

　　另一组天文学家团队发现了至少有另一个星系的暗物质含量似乎也非常低，不过那个星系的方向让它比DF2和DF4更难观测。

　　但真正的问题是，这些奇怪的星系究竟是如何形成的？

　　让宇宙时光倒流

　　在2019年和2020年，范．多库姆和他的同事将哈勃太空望远（Hubble Space Telescope）镜对准了DF2和DF4。他们发现DF2离得更远，而且这两个古怪的星系正在远离彼此。这表示如果你将这两个星系的运动按下倒转键，那它们最终会聚集在太空中的同一点：远古一场可能的高速碰撞点。

　　当这两个原始的星系发生碰撞时，它们的暗物质部分继续前行，就像什么都没发生似的照样在太空中疾驰。但它们所有的气体最后都变成了一团杂乱、炽热、高压的气堆──正是在这种环境中才能诞生像DF2和DF4星系内中的巨大星团。

　　对这类碰撞的模拟显示，最初的气体堆碎裂成块并在数十亿年中四散，留下了昏暗、松散的小星系。当范．多库姆和他的同事检查NGC 1052星系的深度影像时，他们发现了有多达11个星系连成一排，其中就包括DF2和DF4。

　　范．多库姆表示：「一开始的的观测结果很令人困惑，然后我们突然恍然大悟。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，之后我们真的就发现了。」

　　范．多库姆说，在这一连串星系两端的两个星系，应该会富含最初相撞星系的暗物质，但要验证这一点会很困难，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

　　虽然关于这可能的一连串星系还有许多疑问，但有些科学家认为，这种理论似乎可以合理地解释缺乏暗物质的星系是如何形成和成长的。

　　「这个说法之所以吸引人有几个原因，」在德州大学奥斯汀分校研究暗物质和星系形成的麦可．博伊兰－科尔钦（Mike Boylan-Kolchin）说：「最大的原因是它同时解释了这种系统的多个面向。」

　　博伊兰－科尔钦补充说，如果这种理论正确，将能帮助天文学家更深入理解暗物质的「粘性」──它是否像是不会与普通物质发生反应那样，不会彼此产生交互作用，或是存在一定程度的自我交互作用。他还说，星系碰撞理论有个特别棒的结果，是它解释了DF2和DF4中的奇特星团。

　　「这些系统中的一个大难题，是它们似乎拥有这些非常大质量的星团，为什么会这样呢？」博伊兰－科尔钦说：「这种星系与星系之间的碰撞机制，确实能产生一系列更大质量的星团。」

　　然而，其他天文学家并不那么相信。

　　在萨里大学研究星系形成的米歇尔．柯林斯（Michelle Collins）说：「在某种程度上，这一切都是巨大谜团的开端。」她说此时这种想法想还仅止于猜测，我们不知道最初的星系是否包含足够的物质，能够产生范．多库姆团队所观测到的结果。

　　确认假想碎片轨迹上的11个星系距离也很关键，因为这能够验证它们究竟是属于同一个系统，或只是恰巧排列成看起来像是一连串的样子──就像是与地球距离相当不同的一些恒星，在星座中看起来非常接近一样。

　　「根本没有足够的观测数据，来排除这些星系不是像我们所看到的星座那样。」她说：「我们很容易将事物的意义归因于模式。」

　　还需更多的时日才能验证这样的碰撞理论，但范．多库姆认为这个理论拥有可验证的预测。像是他就热衷研究DF4中的星团，并将它们的年龄与DF2中星团的年龄进行比较。如果这两群星团的年龄相仿，就可能强烈暗示这两个星系有着相同的起源。

　　他还将把哈勃望远镜瞄准碎片轨迹上的其他可疑星系，观测它们是否拥有同样奇特的星团，并测量它们的运动和距离，以确定它们是否真的属于同一个结构。

　　如果他和团队够幸运的话，他们甚至可以仔细观察轨迹两端的两个昏暗星系，并试图弄清它们是否就是最初星系中留下富含暗物质的残骸。但这个研究计画可能需要下一代的地面望远镜，或是美国航太总署（NASA）的詹姆斯．韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）来帮忙完成。

　　「那将会太棒了，」范．多库姆说：「测量这些星系，将是解开这个系统谜团的最重要关键。」