暗物质缺失的星系：天文学家的困局|163

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当前炙手可热的暗物质与暗能量，你了解多少？从近日发现的暗物质缺失的星系，我们又得到了哪些关于暗物质的新的认识？

宇宙中的暗与明

近几十年来，暗物质与暗能量的假设以及相关理论逐渐完善，同时人们也观测到了一些只有通过它们才能解释的现象。

根据目前最为广泛接受的宇宙模型，宇宙中的能量有约95%是以暗物质和暗能量的形式存在的，而我们人类能看得见摸得着的“普通”物质，只占5%——换句话说，我们身边的、脚下的、抬头仰望的，我们所能看到的一切，在宇宙中也无非九牛一毛。

图一：暗物质、暗能量和普通物质所占的比例。其中，我们所能看见的普通物质的比例只有5%左右。

图片来源：Plank Collaboration 2016

然而，现在暗物质对于我们来说仍然是未知的。在科普的范畴内，我更倾向于把所谓暗物质解释成广义上只具有引力作用的一种“透明”的物质，而它具体是什么粒子，就是物理学家要研究的问题了。而目前天文学家的关注点更多在于通过一些特殊的天文现象来证明暗物质的存在与分布。

图二：子弹星系团。由D. Clowe等人于2004年发现一对经过碰撞的星系团，图中红色区域表示我们实际观测到的X光成像数据，表示其中可见的普通物质的质量分布，而蓝色区域表示由引力透镜效应推算出的总物质的质量分布。我们能看出这两者的分布有着明显的差异，这一差异可以由暗物质的存在来解释。这也是暗物质存在的证据之一。

图片来源：NASA/CXC/M. Weiss

当然，既然我们已经说了暗物质只是一种“假设”，那么即使再完美的假设也会有被证否的可能。如果我们对现有的牛顿引力理论进行修改，那么原则上是有可能不借助暗物质就可以解释到我们观测到的各种现象的。这种想法，我们称之为“修正引力理论”。

暗物质和修正引力理论是目前学术界中的两种主流理论，而各自又包含更多详细复杂的假设，我们在这里就不一一列举了，而一些天文学家的工作就是根据观测到的现象来支持或者排除其中的一些可能性。

今天我们要介绍的，就是最近刚刚发表的一项让天文学家困惑的观测结果：在近日的一篇论文中，科研人员发现了一个暗物质含量不足普通物质一倍的星系，这与期望值相差很大——然而，根据暗物质的假设和以往的观测，在一个星系中，像恒星、行星、尘埃这些普通物质是包裹在一个范围更广的暗物质晕中的，而暗物质的质量通常是普通物质的几十甚至上百倍。

奇异的星系

NGC1052是位于鲸鱼座的一个中心有超大质量黑洞的椭圆星系，而它附近的一个很不起眼的暗淡的超弥散星系就是这篇文章的主角——NGC1052-DF2。

图三：由蜻蜓长焦阵列观测到的NGC1052及周边星系分布。中心时NGC1052，而本文的主角NGC1052-DF2可以在放大图中看到，是一个尺度很小且暗淡的超弥散星系。

图片来源：van Dokkum et al. 2018

耶鲁大学Pieter van Dokkum的科研团队通过由48个佳能长焦镜头组成的“蜻蜓长焦阵列”对NGC1052- DF2进行成像观测，同时使用凯克天文台的光谱仪测量了DF2中的10个球状星团的光谱，由此他们可以计算出星团的运行速度，进而估算出整个星系的总质量。

图四：蜻蜓长焦阵列的一半，由24个佳能长焦镜头组成。最右侧是论文的作者Pieter van Dokkum。

图片来源：University of Toronto

这并不是天文学家第一次观测NGC1052-DF2，在斯隆数字巡天SDSS的观测数据中就已有它的身影，不过蜻蜓长焦阵列在对这一类很暗淡疏散的天体显现出了更好的成像效果。

根据其中球状星团速度推算得到的总质量是3.4亿倍太阳质量，而我们能观测到的恒星质量就达到了2亿倍太阳质量，也就是说，这两者的差值就是 DF2所含的暗物质质量。

如我们所见， DF2的暗物质含量甚至比普通物质还要少，这一数值比天文学家的预测值要小400倍。

图五：NGC1052-DF2在蜻蜓长焦阵列（左）与斯隆数字巡天SDSS（右）的观测成像对比。可以明显地发现蜻蜓长焦阵列对于其暗淡的结构有更好的观测能力。

图片来源：van Dokkum et al. 2018

论文的作者对于这样一个明显缺少暗物质的星系的形成提出了两点猜想：NGC1052这个大椭圆星系在通过星系融合而诞生的时候抛出了一团致密的气体，这些气体逐渐形成了只含有普通物质的DF2；或者是NGC1052中心类星体产生的强风携带着尘埃，在附近形成了DF2。不过，不论哪一种猜想，都与观测到的 DF2的特性有不符合的地方。

此外，作者还表示NGC1052-DF2并非孤例，这样暗物质缺失的星系可能还有更多，相关的研究目前正在进行中。

抉择：前路漫漫

稍微熟悉科学史的人可能会听说过“以太假说”。直到19世纪晚期，人们都认为光作为一种波，其传播是需要介质的，于是人们便提出猜想说宇宙中广泛存在着一种名为“以太”的物质可以作为光的传播介质。

最终，著名的迈克尔孙-莫雷实验证实了光速不变原理，也就否定了以太这种物质的存在。

图六：十九世纪八十年代的的迈克尔孙-莫雷实验装置，其安装在一块漂浮在圆形水银槽上方。它证实了光速不变原理，因而以太假说被证否。

图片来源：Case Western Reserve University

而如今，出于对暗物质求而不得的状态，一些人开始质疑所谓暗物质的假设是不是就如同从前的以太一样，其实并不存在。

暗物质的假说所依赖的基础就是牛顿力学加上爱因斯坦广义相对论，如果我们认为这些理论都是正确的，那么暗物质的存在是可以被确定的，其中的出入只在于它本质上究竟是一种什么粒子。

反之，如果我们在宇宙中更广阔的尺度下对牛顿力学进行修正，使其符合我们所观测到的现象，那么我们就无需引入暗物质。

长久以来，“修正引力理论”一直处于暗物质假设的对立面，不论哪一种理论，科研人员都希望能通过观测的证据来证实或排除其中的一些可能性。

而这次的NGC1052-DF2为我们提供了一个契机，如果“修正引力理论”是正确的话，那么DF2仅凭其中的普通物质就足以产生“如同有暗物质一样”的现象——在这个例子中就是那10个球状星团的速度分布应该与我们观测到的有很大差别。但是很遗憾，目前的数据并非如此，“修正引力理论”在DF2这里被证明是不完善的。

也就是说，我们暂时不用担心暗物质会如同以太一样变成泡影，这个假设目前看来还是很有前途的。

图七：通过数值模拟生成的大尺度下暗物质的分布，为了更好的可视化，图中暗物质由较亮的颜色表示。在引力作用下，暗物质逐渐形成纤维状的结构。

图片来源：LSST Dark Energy Science Collaboration

不过，话又说回来，即使我们肯定了暗物质的存在，NGC1052-DF2的形成与生长中的很多特性仍然是谜团。对于天文学家们来说，像这样一个由普通物质占主导地位的星系仍是一个未解的困局，我们期待有更多的后续数据和更精确的技术手段来解释宇宙。

小科普：暗物质的探测方法

为了确定暗物质的存在以及它的本质，目前的探测方法大致分为四种：

直接探测：探测暗物质粒子与普通物质的原子核碰撞后发出的信号，目前的实验包括LUX，LZ，PandaX等。简单的描述就是在地下放一个很大的装满液氙的容器，周围布满非常灵敏的传感器用来放大信号，科研人员希望能探测到暗物质与液氙发生碰撞并产生的微弱信号。到目前为止，这些实验还未能探测到备选暗物质粒子（如轴子axion）的信号，不过越来越精确的实验设计正在逐步压缩暗物质粒子可能存在的参数空间。

间接探测：指的是探测暗物质粒子发生衰变或者湮灭之后产生的稳定的高能粒子，比如伽马射线、电子/正电子、中微子等，这一类探测通常是在高空至太空中进行，目前的实验包括AMS-02，DAMPE（也就是“悟空”）等。到目前为止，这些探测器已经探测到一些“痕迹”或者“现象”，但仍需要收集更多数据来进一步确认其与暗物质有关，同时也需要得到直接探测方法的确认。

图八：暗物质粒子探测卫星（DAMPE）“悟空”在轨示意图。

图片来源：中国科学院

粒子碰撞探测：在加速器中用普通物质来进行高能碰撞，如果对撞的产物中含有一些陌生的粒子，那么就有可能是暗物质粒子的候选者了。到目前为止，以大型强子对撞机LHC为代表的加速器实验还未能探测到确认的暗物质粒子。

天体物理探测：在天体物理或观测宇宙学的范畴内，我们确实并不关心暗物质的存在形式和作用机理，在确定这些之前我们要先确定暗物质的存在及其在宇宙中的分布。在这种情况下，引力透镜给了我们十分直观的图像，我们不需要考虑暗物质粒子之间（或暗物质粒子与普通物质粒子之间）是怎样作用的，我们只需要认为暗物质是具有质量及引力效应的，并根据广义相对论来确定被用作引力透镜的天体的质量分布，然后根据它们的质量分布以及其他特性来讨论暗物质粒子可能的存在形式。

目前这方面对应的实验项目包括大型综合巡天望远镜LSST，广域红外巡天望远镜WFIRST等一批地基及空间望远镜——当然暗物质只是这些项目的一部分。

这是目前能够得到最多关于暗物质的信息的方法，但是由于目前的技术水平的限制，很大一部分工作都是关于观测图像的处理，也就是说为了得到更精确的(暗)物质分布，我们还需要进一步降低实验误差——当然这个步骤在以上任何一种探测方法中都是必需的。

图九：正在建设中的大型综合巡天望远镜LSST。

图片来源：LSST Project/NSF/AURA

在寻找暗物质这个课题上，四种探测方式是相辅相成的关系，我们期盼能在其中某一项实验中得到突破并通过其他探测方式进行验证。

参考文献：

1. Clowe et al., 2006, ApJ, 648, 2

2. LSST Science Collaboration, 2009, http://arxiv.org/abs/0912.0201

3. van Dokkum et al., 2018, Nature, 555, 7698

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作者：刘滨阳

编排：刘滨阳