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，因為耶魯大學一個天文學探測小組的發(fā)現(xiàn)，世界上很多天文學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、恒星和星際氣體與塵埃組成，其中暗物質通常是星系最重要的組成部分。根據天文學家的理解，正是因為暗物質的聚集，在引力的作用下吸引星際氣體的聚集，進而逐漸產生出恒星。不發(fā)光、不和普通物質發(fā)生相互作用的暗物質可以看作一個星系的基礎，它播下恒星的種子，逐漸塑造出整個星系的結構。

正因為這樣的思路在天文學家的心中早已根深蒂固，當耶魯大學的天文學家彼得·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果后，也就迅速在全世界的天文學界引發(fā)了巨大的轟動。這篇論文的題目非常簡單——《一個缺少暗物質的星系》（A Galaxy Lacking Dark Matter），實際上這個題目已經說明了一切。

范·多克姆與多倫多大學的天文學家羅伯托·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。

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所占的比例不高，想要測量星系的總質量，主要需要探明星系中暗物質的質量，這就需要觀測暗物質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個星團的運動速度。一般來說，一個星系的質量越大，為了保證不因為引力作用墜入星系的內部，星系外圍星團的運動速度也就需要更快，因此通過觀察星團的運動速度，再運用簡單的牛頓力學就可以大致估算出一個星系的總質量。

計算結果出乎所有人意料——NGC1052-DF2星系中不含有，或者說只含有極少的暗物質。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，在這個星系中基本不存在。這個看上去與銀河系規(guī)模相當的黯淡星系，質量只有銀河系的大約0.5%。不僅如此，這個星系的結構也與大多數星系不同。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)的天文學家在內，所有人一時都沒法理解這個發(fā)現(xiàn)意味著什么。暗物質被認為是構成宇宙基本架構的主體，它占到整個宇宙中物質能量總數的27%，而所有可見物質的總量才占到宇宙的5%。可以說是可見物質因為引力作用，依附在由暗物質構成的巨大的宇宙網絡上，從而形成了各個星系（例如銀河系中暗物質質量就是可見物質質量的30倍以上）。那么，沒有暗物質的星系又是如何形成的？

已經有天文學家提出了各種猜想，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架構……這些猜想目前看起來成立的可能性都不大。通過這次觀測，天文學家們起碼認識到了，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，但是經過測量，這個星系中的暗物質占到了總質量的99%以上。

“蜻蜓”長焦鏡頭系列開發(fā)者之一天文學家羅伯托·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，它證明了暗物質確實存在。

多年以來，人類試圖用各種實驗探測暗物質的性質，但是至今都沒有任何突破性的進展，連暗物質的基本組成形式都不清楚。這種神秘的物質因為不發(fā)光，又幾乎不與普通物質發(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，一直有科學家認為，暗物質實際上并不存在;人類之所以能夠在天文學觀測中發(fā)現(xiàn)暗物質，是因為在星系的尺度上，引力的作用形式與人們當前的理解不同，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的存在。一些持有這種觀點的科學家們提出了“衍生引力理論”（Emergent Gravity），試圖對現(xiàn)有的引力理論進行修正，以此否認暗物質的存在。

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，無論如何修正引力理論都無法解釋星系間的不同，這也就成了暗物質確實存在的最有力證據。根據觀察，NGC1052-DF2星系中大約含有2億顆恒星，還有數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，讓天文學家們不得不重新思考星系的形成和成長過程，以及暗物質在其中的角色。

天文學家們也急于知道NGC1052-DF2星系的年齡。目前看來它的年齡應該在100億年以上，但是如果這個星系的真實年齡達到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，當務之急是對它進行更細致的觀測。范·多克姆希望能夠利用哈勃望遠鏡、斯隆數字巡天項目，甚至是還沒有投入工作的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，對它進行徹底的研究。或許人們現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn)還只是冰山一角而已。