天文学家绘制出被称为AGC114905的奇特星系中的恒星（蓝色）和气体（绿色）

3年前，菲利波·弗拉泰尔纳利（Filippo Fraternali）和同事发现了6个神秘的弥散星系。它们看起来像是由恒星和气体组成的庞大城市群。但几乎与其他所有已发现的星系——包括我们所在的银河系——不同的是，这些星系似乎并没有被暗物质笼罩，而通常情况下，暗物质通常会通过引力将恒星聚集在一起。

这个现象引起了科学家的强烈好奇。他们重点观测了其中一个星系，这是一个大约25万光年外的中等大小的星系。他们将位于新墨西哥州的甚大天线阵的 27 个射电望远镜天线一起指向了这一观测目标。

在收集了40个小时的观测数据后，科学家们绘制出了恒星和气体的分布图，并对之前的观测结果进行了确认。

“我们推断该星系所包含的暗物质的量比通常预测的要少得多。”荷兰格罗宁根大学卡普坦天文研究所的天文学家弗拉泰尔纳利说道。

如果他们的研究小组或其科研上的竞争对手找到了与之类似的其他星系，就可能会给科学家对暗物质的理解带来新的挑战。

对暗物质的相关研究已经占据了该领域的主导地位至少20年。弗拉泰尔纳利和他的团队在 2021年12月的《皇家天文学会月报》上发表了他们的科研成果。

基于数十年的望远镜观测数据和计算机模拟结果，科学家将暗物质看作宇宙暗藏的骨架。骨架的“关节”是由不可见粒子组成的庞大团块，它们承载着大大小小的星系。但弗拉泰尔纳利并不是第一个窥测到异常情况的人。

几年前，耶鲁大学的天文学家彼得·范多库姆（Pieter vanDokkum）和同事利用哈勃望远镜的观测结果也发现过同样缺乏暗物质的星系。

“我们在2018年发现的这些星系出乎大家的意料且难以解释，因此引发了很多争议、讨论和后续研究。”多库姆说。

很多星系拥挤地聚集在一起，当更大的邻近星系飞过时，就可能会带走暗物质。相比之下，弗拉泰尔纳利研究的星系所在的区域十分空旷，并没有这样令人讨厌的邻居，因此无法用这种方式解释它缺乏暗物质的原因。

“这个问题可能会非常重要，”多库姆说，“没有暗物质的帮助，恒星和气体是如何聚集在一起的？”

这些奇怪的天体被称为“超弥散星系”。它们的存在极为异常：这类星系的质量微不足道，但空间尺度极大；有的超弥散星系和银河系一样大，却只有百分之一甚至更少的恒星；它们近乎透明，很难在夜空中被探测到。

巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天文学家米丽娅·蒙特斯（Mireia Montes）说：“它们的中心区域较暗，因此很难被发现。现在，利用更好的望远镜和更深入的观测，我们对这样的星系有了更多的了解。”蒙特斯是研究这类星系的专家。

20世纪60年代，美国天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）等人在测量星系中的恒星围绕中心旋转的速度时，发现星系内部恒星的旋转速度与外部恒星不同，从而首次提出猜想，认为可能存在看不见的或者说“暗”的物质。根据这些恒星的旋转速度，科学家可以计算出星系必须有多大的质量才能使恒星持续地在轨道上运动，而不是被抛入太空。

对于许多星系，这个质量值比所有恒星的质量总和还要大很多倍。科学家假设有某种暗物质存在，它不发射也不反射光，但质量足以将星系结合在一起。这样一来，就可以很好地解释现象。

但是弗拉泰尔纳利的团队通过观测表明，对于超弥散星系，引入暗物质的概念并无必要。他们测得的旋转速度与观测到的恒星和气体云的质量完全匹配，不需要任何无法看见的额外质量。蒙特斯的研究小组想要更详细地研究这些星系，包括它们的边缘区域，以防存在弗拉泰尔纳利没有发现的物质。但至少就目前而言，这个幽灵般的星系仍然是一个难以解决的谜题。

弗拉泰尔纳利指出，他们的研究对象，即被称为AGC114905的星系，有一个很大的不确定因素：它是倾斜的。

某些星系的形状看上去像飞碟，如果地球上的望远镜看到的是它们的侧面，天文学家就可以很容易地观测这样的星系。望远镜可以观测到星系盘一侧的恒星向着我们移动，而另一侧的恒星则在远离我们。研究人员测量出这些恒星的速度之后，就能够估算星系的质量——并确定其中是否有暗物质成分。但弗拉泰尔纳利计算出AGC 114905的倾斜度大于 30 度，因此天文学家必须对测得的结果进行校正。如果他们在对倾斜度校正的工作上有偏差，那么测量结果完全有可能允许暗物质的存在。

假设弗拉泰尔纳利的团队是正确的，那我们就无从得知这一星系的产生原因了。它真的是没人能理解的奇特天体吗？又或者说，它的存在其实在暗示暗物质理论存在更大的问题？

到目前为止，对超弥散星系起源的任何解释都不符合AGC114905的情况。

有天文学家推测，这样一个低暗物质星系可能是一对更大的星系在近距离接触时相互拉扯的残余物，尾迹中留下的一团膨胀的恒星和气体形成了这样的星系。但多库姆说，在邻近区域并没有观测到大质量星系，因此这一说法并不成立。

另一种理论认为，它可能是很久以前恒星爆炸的残余物。所有的恒星最终都会死亡，有些恒星会爆炸，变成超新星。随着时间的推移，超新星可能会出现在星系的各个角落，排出包括气体云在内的各种物质。但是，弗拉泰尔纳利说，AGC 114905的情况并非如此，因为它的内部仍然充满了大量的气体，这些气体是新恒星的基石和燃料。如果这一星系在亿万年前密度很大，今天应该会留下许多致密的星团。但多库姆说，它的内部并不存在什么类似的星团。

实际上，AGC114905似乎违背了所有的暗物质模型。几十年来，加州大学河滨分校的天体物理学家劳拉·塞尔斯（Laura Sales）等科学家一直在功能强大的计算机上对宇宙进行数值模拟，试图利用暗物质模型重现天文学家用望远镜观测到的无数个星系。“我们检查了模拟结果，但无法找到可以对应这个星系的模型。”她说。

相反，弗拉泰尔纳利研究的星系以及其他类似的星系可能表明，我们需要一种可以替代暗物质的东西。

科学家在推断得出有隐藏物质的存在之后，对引力的作用方式提出了一些假设。但是，如果引力的作用效果与他们所想的并不相同，那又会如何？

弗拉泰尔纳利和他的同事对暗物质替代物中的一位有力竞争者进行了研究。我们把它叫作修正牛顿力学理论（MOND），是对牛顿的万有引力定律的改进。

MOND最早由以色列物理学家莫德采·米尔格若姆（Mordehai Milgrom）在20世纪80年代提出。MOND理论假设，标准的引力物理学可以准确解释具有高引力加速度的物体（如太阳系中的行星）的运动，但有可能无法应用于星系边缘缓慢运动的恒星。

因此，如果MOND是正确的，那么星系中恒星的预期速度与它们看上去的移动速度之间的差异可能并不表明存在什么质量上的缺失，而仅仅是个数学错误。

不过，虽然MOND模型可以很好地适用于其他正常的星系，但它同样无法解释弗拉泰尔纳利团队研究的星系的旋转效应。它的表现和暗物质模型一样糟糕。

塞尔斯说，现在断定AGC114905可以揭示暗物质理论存在潜在问题，还为时过早。目前，弗拉泰尔纳利等人将继续研究这些神秘且长期被忽视的星系，比如利用新发射的詹姆斯·韦布空间望远镜的观测数据，以期解开这个谜团。

“这和探索宇宙边缘，或是发现新的近日行星有所不同。我们可以利用现有工具实现这一科研目标，”多库姆说，“对我来说，这是很让人兴奋的一点。”

审校：乔琦、张瑞山责编：游溪

资料来源：

Astronomers discover a strange galaxy without dark matter

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