空蕩蕩的星系

苗千

若是有人告訴你，他發(fā)現(xiàn)了一幢沒有地基和房梁，甚至連墻壁都沒有的房子，你一定會大感迷惑，奇怪這樣的房子怎么會存在。實際上，因為耶魯大學(xué)一個天文學(xué)探測小組的發(fā)現(xiàn)，世界上很多天文學(xué)家此時也正有著類似的迷惑。

人類發(fā)現(xiàn)的大部分星系，主要由暗物質(zhì)、恒星和星際氣體與塵埃組成，其中暗物質(zhì)通常是星系最重要的組成部分。根據(jù)天文學(xué)家的理解，正是因為暗物質(zhì)的聚集，在引力的作用下吸引星際氣體的聚集，進(jìn)而逐漸產(chǎn)生出恒星。不發(fā)光、不和普通物質(zhì)發(fā)生相互作用的暗物質(zhì)可以看作一個星系的基礎(chǔ)，它播下恒星的種子，逐漸塑造出整個星系的結(jié)構(gòu)。

正因為這樣的思路在天文學(xué)家的心中早已根深蒂固，當(dāng)耶魯大學(xué)的天文學(xué)家彼得·范·多克姆（Pieter van Dokkum）與合作者們于2018年3月29日在《自然》（Nature）雜志發(fā)表論文報告他們的探測結(jié)果后，也就迅速在全世界的天文學(xué)界引發(fā)了巨大的轟動。這篇論文的題目非常簡單——《一個缺少暗物質(zhì)的星系》（A Galaxy Lacking Dark Matter），實際上這個題目已經(jīng)說明了一切。

范·多克姆與多倫多大學(xué)的天文學(xué)家羅伯托·亞伯拉罕（Roberto Braham）共同開發(fā)了一套名為“蜻蜓”的長焦鏡頭陣列（Dragonfly Telephoto Array），在美國新墨西哥州專門用來觀測此前容易被其他天文學(xué)家們所忽略的在天空中顯得暗淡稀疏的星系。這個天文探測陣列的鏡頭數(shù)量不斷增加，做出的發(fā)現(xiàn)也越來越多，其中最讓人感到吃驚的莫過于在6500萬光年之外，一個名為NGC1052-DF2的星系的性質(zhì)。

NGC1052-DF2星系的大小與銀河系相似，但在天空中看上去非常稀疏。通常來說，一個星系中可見物質(zhì)所占的比例不高，想要測量星系的總質(zhì)量，主要需要探明星系中暗物質(zhì)的質(zhì)量，這就需要觀測暗物質(zhì)的引力作用在星系中的影響。范·多克姆與合作者們測量了NGC1052-DF2星系中10個星團(tuán)的運動速度。一般來說，一個星系的質(zhì)量越大，為了保證不因為引力作用墜入星系的內(nèi)部，星系外圍星團(tuán)的運動速度也就需要更快，因此通過觀察星團(tuán)的運動速度，再運用簡單的牛頓力學(xué)就可以大致估算出一個星系的總質(zhì)量。

計算結(jié)果出乎所有人意料——NGC1052-DF2星系中不含有，或者說只含有極少的暗物質(zhì)。也就是說，人們所見到的NGC1052-DF2星系就是它的全部，而在其他星系的形成和發(fā)展過程中必不可少的暗物質(zhì)，在這個星系中基本不存在。這個看上去與銀河系規(guī)模相當(dāng)?shù)镊龅窍?，質(zhì)量只有銀河系的大約0.5%。不僅如此，這個星系的結(jié)構(gòu)也與大多數(shù)星系不同。與漩渦星系比較，NGC1052-DF2并沒有一個致密的中心區(qū)域，也沒有旋臂和旋轉(zhuǎn)盤面，同時它也不像橢圓星系擁有一個中心黑洞。

這個觀測結(jié)果顯得簡單明了，無可辯駁。但是包括做出這個發(fā)現(xiàn)的天文學(xué)家在內(nèi)，所有人一時都沒法理解這個發(fā)現(xiàn)意味著什么。暗物質(zhì)被認(rèn)為是構(gòu)成宇宙基本架構(gòu)的主體，它占到整個宇宙中物質(zhì)能量總數(shù)的27%，而所有可見物質(zhì)的總量才占到宇宙的5%?？梢哉f是可見物質(zhì)因為引力作用，依附在由暗物質(zhì)構(gòu)成的巨大的宇宙網(wǎng)絡(luò)上，從而形成了各個星系（例如銀河系中暗物質(zhì)質(zhì)量就是可見物質(zhì)質(zhì)量的30倍以上）。那么，沒有暗物質(zhì)的星系又是如何形成的？

已經(jīng)有天文學(xué)家提出了各種猜想，例如在NGC1052-DF2星系附近還有一個巨大的星系，或者NGC1052-DF2星系是由兩個星系相互碰撞而成，逐漸脫離了原有的暗物質(zhì)架構(gòu)……這些猜想目前看起來成立的可能性都不大。通過這次觀測，天文學(xué)家們起碼認(rèn)識到了，星系形成的方式可能不止一種，而星系的種類，也可能遠(yuǎn)比人們此前知道的要多。除了NGC1052-DF2星系之外，在利用蜻蜓長焦鏡頭陣列發(fā)現(xiàn)的稀疏星系中，還有其他構(gòu)成獨特的星系。例如Dragonfly 44星系的外觀看上去和NGC1052-DF2星系相差不大，但是經(jīng)過測量，這個星系中的暗物質(zhì)占到了總質(zhì)量的99%以上。

“蜻蜓”長焦鏡頭系列開發(fā)者之一天文學(xué)家羅伯托·亞伯拉罕

從另一個角度來說，NGC1052-DF2星系的發(fā)現(xiàn)又有著重要意義，它證明了暗物質(zhì)確實存在。

多年以來，人類試圖用各種實驗探測暗物質(zhì)的性質(zhì)，但是至今都沒有任何突破性的進(jìn)展，連暗物質(zhì)的基本組成形式都不清楚。這種神秘的物質(zhì)因為不發(fā)光，又幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，人類只能在宇宙尺度上通過引力作用探測它的分布和運動狀況。也正是因為如此，一直有科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)實際上并不存在;人類之所以能夠在天文學(xué)觀測中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，是因為在星系的尺度上，引力的作用形式與人們當(dāng)前的理解不同，因此星系中天體的運動狀態(tài)自然與人類估算的有所不同，這才被人類誤以為有所謂暗物質(zhì)的存在。一些持有這種觀點的科學(xué)家們提出了“衍生引力理論”（Emergent Gravity），試圖對現(xiàn)有的引力理論進(jìn)行修正，以此否認(rèn)暗物質(zhì)的存在。

在這種情況下，NGC1052-DF2星系和Dragonfly 44星系的發(fā)現(xiàn)就成了對“衍生引力理論”最有力的反擊，單單依靠可見物質(zhì)，無論如何修正引力理論都無法解釋星系間的不同，這也就成了暗物質(zhì)確實存在的最有力證據(jù)。根據(jù)觀察，NGC1052-DF2星系中大約含有2億顆恒星，還有數(shù)量不多的星際氣體和灰塵，這也就是這個星系的全部所有了。范·多克姆說，足足有一個小時的時間，他只是盯著哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的這個星系的照片，它顯得如此空洞，甚至可以直接看到星系背后的景象。正是這個星系，讓天文學(xué)家們不得不重新思考星系的形成和成長過程，以及暗物質(zhì)在其中的角色。

天文學(xué)家們也急于知道NGC1052-DF2星系的年齡。目前看來它的年齡應(yīng)該在100億年以上，但是如果這個星系的真實年齡達(dá)到130億年左右，那么它也將是宇宙中最早形成的星系之一。想要對這個星系有更多了解，當(dāng)務(wù)之急是對它進(jìn)行更細(xì)致的觀測。范·多克姆希望能夠利用哈勃望遠(yuǎn)鏡、斯隆數(shù)字巡天項目，甚至是還沒有投入工作的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，對它進(jìn)行徹底的研究。或許人們現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn)還只是冰山一角而已。