顛覆認知：擺脫暗物質的星系？

NGC1052—DF2 星系

由48 個長焦鏡頭組成「蜻蜓長焦陣列」的一部分

本報記者 張文靜

當我們仰望夜空時，常常會被漫天繁星所震撼，感嘆宇宙的浩大與深邃。然而你知道嗎？我們所能看到的所有星系以及自己腳下所踩的大地加起來，可能只佔整個宇宙質量中極少的一部分，剩下絕大部分看不到的物質被科學家稱作暗物質和暗能量。

這些潛藏的「幽靈」有著巨大的能量。根據暗物質理論的假設和以往的觀測，暗物質包裹著一個星系中的恆星、行星、塵埃等普通物質，它的質量通常是普通物質的幾十甚至上百倍。它們與星系如影隨形，通過引力影響著星體的演化和分布。

然而，3月29日凌晨《自然》雜誌發表的一篇來自美國、加拿大、德國聯合團隊的論文，卻顛覆了人們以往的認知——他們發現了一個幾乎不存在暗物質的星系。這個發現會讓我們對暗物質產生什麼新認識？它會改寫宇宙星體演化的遊戲規則嗎？

明暗之爭

想要解答這些問題，首先要了解宇宙中的明與暗。

萬有引力理論和廣義相對論一直是科學家了解宇宙運行規律的有力工具。但從上世紀20年代開始，隨著觀測視野的拓寬，這兩種理論卻在星繫到宇宙的尺度計算上頻頻「失誤」。比如，根據萬有引力理論，太陽圍繞銀河系中心的運行速度應該在160公里/秒左右，但科學家實際觀測到的運行速度達到了240公里/秒。在這樣的速度下，太陽應該直接被「甩」出去才對，但事實上當然並沒有。

是愛因斯坦和牛頓錯了，還是銀河系的實際質量被嚴重低估了？科學家傾向於後者。那些看不到的龐大物質就被稱作暗物質。

「暗物質理論是在上世紀二三十年代提出來的。」中科院國家天文台研究員郭琦介紹說，美國加州理工學院天體物理學家弗里茨·茲威基利用光譜紅移測量了后髮座星系團中各個星系相對於星系團的運動速度。他發現這些星系的運動速度太快，以至於僅靠星系團中可見星系的質量產生的引力是無法將其束縛在星系團內的。然而事實上，星系並沒有飛出星系團，星系團也沒有被撕裂。於是，茲威基推斷，該星系團中充滿了大量暗物質，為其提供了足夠的引力。

「此後，隨著觀測技術的進步，科學家在更多天文現象，比如微波背景輻射的功率譜、星系團的強引力透鏡等的發現，都在支持暗物質存在的理論。」郭琦說。

儘管暗物質無法被看見，但它能產生足夠大的引力，所到之處多多少少會留下一些痕迹，根據這些痕迹，科學家就可以對其進行探測。根據國際合作項目「暗能量巡天」的數據，在整個宇宙質量中，26%為暗物質，70%是暗能量，也就是說，恆星以及所有星系的質量只佔宇宙質量的不到5%。

暗物質理論提出後，一些長期困擾科學家的問題得到合理的解釋，但它畢竟是一種假設，當然也就存在與之不同的其他觀點，修改引力理論就是其中比較流行的一種。

所謂修改引力理論，就是如果我們對現有的牛頓引力理論進行修改，那麼原則上是有可能不藉助暗物質就可以解釋目前觀測到的各種現象的。「修改引力理論按照想解決的問題大體上分為三類：一是解釋暴漲機制；二是解釋暗物質；三是解釋暗能量。修改引力理論在這三類內容中有著不同的形式。」郭琦說，儘管如此，暗物質理論仍是當前比較主流的模型，「相對來說，它推導起來更簡單，也更美一些」。

顛覆認知

根據暗物質理論的假設和以往的觀測，在一個星系中，恆星、行星、塵埃等普通物質是被包裹在範圍更廣的暗物質暈中的，暗物質的質量通常是這些普通物質的幾十倍甚至上百倍。比如在我們所在的銀河系中，暗物質一般來說是普通物質的30倍左右，而矮星系的暗物質能達到普通物質的400倍。這些質量龐大的暗物質與星系共生，通過引力影響著星體的演化和分布。

然而，《自然》雜誌剛剛發表的研究成果卻顯示，科學家發現了一個暗物質含量不足普通物質一倍的星系，這相當於此星系幾乎不含暗物質。這讓人們感到困惑。

這個星系名叫NGC1052—DF2，它是位於NGC1052星系周圍一個暗淡的超彌散星系，NGC1052則是位於鯨魚座的一個中心有超大質量黑洞的橢圓星系。

耶魯大學天文學家彼得·范多科姆的科研團隊通過由48個長焦鏡頭組成的「蜻蜓長焦陣列」對NGC1052—DF2進行了成像觀測，他們同時使用了凱克天文台的光譜儀測量了NGC1052—DF2中10個球狀星團的光譜。利用這種方式，研究人員計算出了該星團的運行速度，進而估算出整個星系的總質量。

研究人員根據其中的球狀星團速度推算得到NGC1052—DF2的總質量是3.4億倍太陽質量，而科學家能觀測到的恆星質量已經達到了2億倍太陽質量，兩者的差值就是NGC1052—DF2所含的暗物質質量。也就是說，NGC1052—DF2的暗物質含量比普通物質還要少，這僅是天文學家預測值的1/400。

「幾十年來，我們都認為星系始於一團團的暗物質。氣態物質落入暗物質暈團，逐漸演化為恆星，積少成多，最後銀河系就誕生了。NGC1052—DF2星系挑戰了這一標準演化模型。」范多科姆表示。

研究人員猜測，這個怪異的星系可能在早期孕育階段經歷了較大波動，或者誕生了大量大質量恆星，將氣態物質和暗物質一掃而空。此外，作者還表示NGC1052-DF2並非孤例，這樣暗物質缺失的星系可能還有更多，相關的研究目前正在進行中。

仍有爭議

這項研究結果顯示，暗物質與星系可能並非始終如影隨形。該項研究雖然表明NGC1052—DF2星系幾乎不含暗物質，但它並未否定暗物質理論，而是指出修改引力理論MOND可能存在的問題。

MOND由以色列物理學家莫德采·米爾格若姆在1983年創立的。「MOND是修改引力理論的一個分支。」郭琦解釋說，這項研究之所以這麼說，是因為根據MOND理論，在星系外圍，引力偏離牛頓引力的結果。如果MOND正確的話，NGC1052—DF2星系僅憑其中的普通物質就足以產生「如同有暗物質一樣」的現象，也就是那10個球狀星團的速度分布應該與科學家目前觀測到的有很大差別。

但郭琦介紹說，實際上，在這篇論文發表出來不久，MOND的研究者就進行了回擊。「他們認為，這項研究只考慮了NGC1052—DF2作為一個單獨星系的特點，而它其實是一個大的星系團中的成員，如果考慮到大星系團本身的效應，MOND也有可能是成立的，因此不能完全判定MOND就是錯的。」

同時，郭琦也表示，對於這篇論文本身，學界也有一些爭議。「通常通過測量示蹤體的速度彌散來推測動力學質量，其中有兩個因素非常重要：一個是樣本數，這項研究只有10個樣本，這個樣本數是很少的，這樣的話數據的不確定性就可能達到一個量級；另外，他們在估計速度彌散時沒有考慮速度測量不確定性，考慮進這一不確定性，用另一種統計方法來算的話，最後得到的結果可能會比該論文中的高几倍。也就是說，這個星系可能不是幾乎不含暗物質的，而是可能存在更多暗物質。」郭琦解釋說。

可見，NGC1052-DF2中的物質構成與其形成和生長中的很多特性，仍然是未解之謎，需要日後更多的數據和更精確的測量來解釋。

《中國科學報》 (2018-04-20 第4版 自然)