空蕩蕩的星系

苗千

若是有人告訴你，他發(fā)現(xiàn)了一幢沒(méi)有地基和房梁，甚至連墻壁都沒(méi)有的房子，你一定會(huì)大感迷惑，奇怪這樣的房子怎么會(huì)存在。實(shí)際上，因?yàn)橐敶髮W(xué)一個(gè)天文學(xué)探測(cè)小組的發(fā)現(xiàn)，世界上很多天文學(xué)家此時(shí)也正有著類(lèi)似的迷惑。

人類(lèi)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?yàn)榘滴镔|(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(gè)星系的基礎(chǔ)，它播下恒星的種子，逐漸塑造出整個(gè)星系的結(jié)構(gòu)。

正因?yàn)檫@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(bào)告他們的探測(cè)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(dòng)。這篇論文的題目非常簡(jiǎn)單——《一個(gè)缺少暗物質(zhì)的星系》（A Galaxy Lacking Dark Matter），實(shí)際上這個(gè)題目已經(jīng)說(shuō)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(kāi)發(fā)了一套名為“蜻蜓”的長(zhǎng)焦鏡頭陣列（Dragonfly Telephoto Array），在美國(guó)新墨西哥州專(zhuān)門(mén)用來(lái)觀測(cè)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(gè)天文探測(cè)陣列的鏡頭數(shù)量不斷增加，做出的發(fā)現(xiàn)也越來(lái)越多，其中最讓人感到吃驚的莫過(guò)于在6500萬(wàn)光年之外，一個(gè)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(lái)說(shuō)，一個(gè)星系中可見(jiàn)物質(zhì)所占的比例不高，想要測(cè)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(cè)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(cè)量了NGC1052-DF2星系中10個(gè)星團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)星系的質(zhì)量越大，為了保證不因?yàn)橐ψ饔脡嬋胄窍档膬?nèi)部，星系外圍星團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度也就需要更快，因此通過(guò)觀察星團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度，再運(yùn)用簡(jiǎn)單的牛頓力學(xué)就可以大致估算出一個(gè)星系的總質(zhì)量。

計(jì)算結(jié)果出乎所有人意料——NGC1052-DF2星系中不含有，或者說(shuō)只含有極少的暗物質(zhì)。也就是說(shuō)，人們所見(jiàn)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(guò)程中必不可少的暗物質(zhì)，在這個(gè)星系中基本不存在。這個(gè)看上去與銀河系規(guī)模相當(dāng)?shù)镊龅窍担|(zhì)量只有銀河系的大約0.5%。不僅如此，這個(gè)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(méi)有一個(gè)致密的中心區(qū)域，也沒(méi)有旋臂和旋轉(zhuǎn)盤(pán)面，同時(shí)它也不像橢圓星系擁有一個(gè)中心黑洞。

這個(gè)觀測(cè)結(jié)果顯得簡(jiǎn)單明了，無(wú)可辯駁。但是包括做出這個(gè)發(fā)現(xiàn)的天文學(xué)家在內(nèi)，所有人一時(shí)都沒(méi)法理解這個(gè)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(gè)宇宙中物質(zhì)能量總數(shù)的27%，而所有可見(jiàn)物質(zhì)的總量才占到宇宙的5%。可以說(shuō)是可見(jiàn)物質(zhì)因?yàn)橐ψ饔?，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(gè)星系（例如銀河系中暗物質(zhì)質(zhì)量就是可見(jiàn)物質(zhì)質(zhì)量的30倍以上）。那么，沒(méi)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(gè)巨大的星系，或者NGC1052-DF2星系是由兩個(gè)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(lái)成立的可能性都不大。通過(guò)這次觀測(cè)，天文學(xué)家們起碼認(rèn)識(shí)到了，星系形成的方式可能不止一種，而星系的種類(lèi)，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(zhǎng)焦鏡頭陣列發(fā)現(xiàn)的稀疏星系中，還有其他構(gòu)成獨(dú)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(guò)測(cè)量，這個(gè)星系中的暗物質(zhì)占到了總質(zhì)量的99%以上。

“蜻蜓”長(zhǎng)焦鏡頭系列開(kāi)發(fā)者之一天文學(xué)家羅伯托·亞伯拉罕

從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，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(shí)存在。

多年以來(lái)，人類(lèi)試圖用各種實(shí)驗(yàn)探測(cè)暗物質(zhì)的性質(zhì)，但是至今都沒(méi)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?yàn)椴话l(fā)光，又幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，人類(lèi)只能在宇宙尺度上通過(guò)引力作用探測(cè)它的分布和運(yùn)動(dòng)狀況。也正是因?yàn)槿绱耍恢庇锌茖W(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)實(shí)際上并不存在;人類(lèi)之所以能夠在天文學(xué)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，是因?yàn)樵谛窍档某叨壬希Φ淖饔眯问脚c人們當(dāng)前的理解不同，因此星系中天體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自然與人類(lèi)估算的有所不同，這才被人類(lèi)誤以為有所謂暗物質(zhì)的存在。一些持有這種觀點(diǎn)的科學(xué)家們提出了“衍生引力理論”（Emergent Gravity），試圖對(duì)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(duì)“衍生引力理論”最有力的反擊，單單依靠可見(jiàn)物質(zhì)，無(wú)論如何修正引力理論都無(wú)法解釋星系間的不同，這也就成了暗物質(zhì)確實(shí)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(gè)星系的全部所有了。范·多克姆說(shuō)，足足有一個(gè)小時(shí)的時(shí)間，他只是盯著哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的這個(gè)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(gè)星系，讓天文學(xué)家們不得不重新思考星系的形成和成長(zhǎng)過(guò)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(lái)它的年齡應(yīng)該在100億年以上，但是如果這個(gè)星系的真實(shí)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(duì)這個(gè)星系有更多了解，當(dāng)務(wù)之急是對(duì)它進(jìn)行更細(xì)致的觀測(cè)。范·多克姆希望能夠利用哈勃望遠(yuǎn)鏡、斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目，甚至是還沒(méi)有投入工作的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，對(duì)它進(jìn)行徹底的研究?；蛟S人們現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn)還只是冰山一角而已。