作者:张文静 来源:中国科学报 发布时间:2018/4/20 13:03:40
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颠覆认知:摆脱暗物质的星系?

NGC1052—DF2 星系

 

由48 个长焦镜头组成“蜻蜓长焦阵列”的一部分

■本报记者 张文静

当我们仰望夜空时,常常会被漫天繁星所震撼,感叹宇宙的浩大与深邃。然而你知道吗?我们所能看到的所有星系以及自己脚下所踩的大地加起来,可能只占整个宇宙质量中极少的一部分,剩下绝大部分看不到的物质被科学家称作暗物质和暗能量。

这些潜藏的“幽灵”有着巨大的能量。根据暗物质理论的假设和以往的观测,暗物质包裹着一个星系中的恒星、行星、尘埃等普通物质,它的质量通常是普通物质的几十甚至上百倍。它们与星系如影随形,通过引力影响着星体的演化和分布。

然而,3月29日凌晨《自然》杂志发表的一篇来自美国、加拿大、德国联合团队的论文,却颠覆了人们以往的认知——他们发现了一个几乎不存在暗物质的星系。这个发现会让我们对暗物质产生什么新认识?它会改写宇宙星体演化的游戏规则吗?

明暗之争

想要解答这些问题,首先要了解宇宙中的明与暗。

万有引力理论和广义相对论一直是科学家了解宇宙运行规律的有力工具。但从上世纪20年代开始,随着观测视野的拓宽,这两种理论却在星系到宇宙的尺度计算上频频“失误”。比如,根据万有引力理论,太阳围绕银河系中心的运行速度应该在160公里/秒左右,但科学家实际观测到的运行速度达到了240公里/秒。在这样的速度下,太阳应该直接被“甩”出去才对,但事实上当然并没有。

是爱因斯坦和牛顿错了,还是银河系的实际质量被严重低估了?科学家倾向于后者。那些看不到的庞大物质就被称作暗物质。

“暗物质理论是在上世纪二三十年代提出来的。”中科院国家天文台研究员郭琦介绍说,美国加州理工学院天体物理学家弗里茨·兹威基利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度。他发现这些星系的运动速度太快,以至于仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的。然而事实上,星系并没有飞出星系团,星系团也没有被撕裂。于是,兹威基推断,该星系团中充满了大量暗物质,为其提供了足够的引力。

“此后,随着观测技术的进步,科学家在更多天文现象,比如微波背景辐射的功率谱、星系团的强引力透镜等的发现,都在支持暗物质存在的理论。”郭琦说。

尽管暗物质无法被看见,但它能产生足够大的引力,所到之处多多少少会留下一些痕迹,根据这些痕迹,科学家就可以对其进行探测。根据国际合作项目“暗能量巡天”的数据,在整个宇宙质量中,26%为暗物质,70%是暗能量,也就是说,恒星以及所有星系的质量只占宇宙质量的不到5%。

暗物质理论提出后,一些长期困扰科学家的问题得到合理的解释,但它毕竟是一种假设,当然也就存在与之不同的其他观点,修改引力理论就是其中比较流行的一种。

所谓修改引力理论,就是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目前观测到的各种现象的。“修改引力理论按照想解决的问题大体上分为三类:一是解释暴涨机制;二是解释暗物质;三是解释暗能量。修改引力理论在这三类内容中有着不同的形式。”郭琦说,尽管如此,暗物质理论仍是当前比较主流的模型,“相对来说,它推导起来更简单,也更美一些”。

颠覆认知

根据暗物质理论的假设和以往的观测,在一个星系中,恒星、行星、尘埃等普通物质是被包裹在范围更广的暗物质晕中的,暗物质的质量通常是这些普通物质的几十倍甚至上百倍。比如在我们所在的银河系中,暗物质一般来说是普通物质的30倍左右,而矮星系的暗物质能达到普通物质的400倍。这些质量庞大的暗物质与星系共生,通过引力影响着星体的演化和分布。

然而,《自然》杂志刚刚发表的研究成果却显示,科学家发现了一个暗物质含量不足普通物质一倍的星系,这相当于此星系几乎不含暗物质。这让人们感到困惑。

这个星系名叫NGC1052—DF2,它是位于NGC1052星系周围一个暗淡的超弥散星系,NGC1052则是位于鲸鱼座的一个中心有超大质量黑洞的椭圆星系。

耶鲁大学天文学家彼得·范多科姆的科研团队通过由48个长焦镜头组成的“蜻蜓长焦阵列”对NGC1052—DF2进行了成像观测,他们同时使用了凯克天文台的光谱仪测量了NGC1052—DF2中10个球状星团的光谱。利用这种方式,研究人员计算出了该星团的运行速度,进而估算出整个星系的总质量。

研究人员根据其中的球状星团速度推算得到NGC1052—DF2的总质量是3.4亿倍太阳质量,而科学家能观测到的恒星质量已经达到了2亿倍太阳质量,两者的差值就是NGC1052—DF2所含的暗物质质量。也就是说,NGC1052—DF2的暗物质含量比普通物质还要少,这仅是天文学家预测值的1/400。

“几十年来,我们都认为星系始于一团团的暗物质。气态物质落入暗物质晕团,逐渐演化为恒星,积少成多,最后银河系就诞生了。NGC1052—DF2星系挑战了这一标准演化模型。”范多科姆表示。

研究人员猜测,这个怪异的星系可能在早期孕育阶段经历了较大波动,或者诞生了大量大质量恒星,将气态物质和暗物质一扫而空。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。

仍有争议

这项研究结果显示,暗物质与星系可能并非始终如影随形。该项研究虽然表明NGC1052—DF2星系几乎不含暗物质,但它并未否定暗物质理论,而是指出修改引力理论MOND可能存在的问题。

MOND由以色列物理学家莫德采·米尔格若姆在1983年创立的。“MOND是修改引力理论的一个分支。”郭琦解释说,这项研究之所以这么说,是因为根据MOND理论,在星系外围,引力偏离牛顿引力的结果。如果MOND正确的话,NGC1052—DF2星系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,也就是那10个球状星团的速度分布应该与科学家目前观测到的有很大差别。

但郭琦介绍说,实际上,在这篇论文发表出来不久,MOND的研究者就进行了回击。“他们认为,这项研究只考虑了NGC1052—DF2作为一个单独星系的特点,而它其实是一个大的星系团中的成员,如果考虑到大星系团本身的效应,MOND也有可能是成立的,因此不能完全判定MOND就是错的。”

同时,郭琦也表示,对于这篇论文本身,学界也有一些争议。“通常通过测量示踪体的速度弥散来推测动力学质量,其中有两个因素非常重要:一个是样本数,这项研究只有10个样本,这个样本数是很少的,这样的话数据的不确定性就可能达到一个量级;另外,他们在估计速度弥散时没有考虑速度测量不确定性,考虑进这一不确定性,用另一种统计方法来算的话,最后得到的结果可能会比该论文中的高几倍。也就是说,这个星系可能不是几乎不含暗物质的,而是可能存在更多暗物质。”郭琦解释说。

可见,NGC1052-DF2中的物质构成与其形成和生长中的很多特性,仍然是未解之谜,需要日后更多的数据和更精确的测量来解释。


 

《中国科学报》 (2018-04-20 第4版 自然)
 

 

 
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