科學家發現一個無暗物質星系 或顛覆暗物質定義
2020-11-25 網易科技（原標題：THE CASE OF THE MISSING DARK MATTER）
圖示：位於夏威夷島莫納克亞山的凱克天文臺幫助科學家發現了一個幾乎沒有暗物質的星系
網易科技訊 3月29日消息，據國外媒體報導，日前一個由天體物理學家組成的國際團隊已經發現了一個距地球6500萬光年的星系，其包含的暗物質數量很少，甚至可以說這個星系根本沒有任何暗物質。研究負責人表示，這種現象雖然不能顛覆科學家對星系形成的理解，但完全可以改變天體物理學家對暗物質的定義。
迄今為止物理學家還不太了解暗物質。對於暗物質是由什麼組成的、單一粒子有多重，或者說暗物質是如何形成的，物理學界尚無定論。也沒有人能夠在地球上捕捉到暗物質粒子。
但是經過30多年的天文觀測，大多數研究人員都認同的事實是：宇宙中有很多暗物質。天體物理學家認為暗物質在整個宇宙中佔據主導地位，其總量甚至是普通物質的五倍。由於星系旋轉得太快，如果沒有額外的暗物質存在，根據現有的物理定律來說這些星系就會塌縮。例如銀河系的旋轉速度很快，所以它必須包含比普通物質多30倍的暗物質。實際上，天文學家曾研究過的每個星系都含有暗物質。
但現在，天體物理學家似乎發現了一個沒有暗物質的星系。
一個由天體物理學家組成的國際團隊已經發現了一個距地球6500萬光年的星系，其包含的暗物質數量很少，甚至可以說這個星系根本沒有任何暗物質。在得出這個結論的過程中，科學家測量了該星系中10個球狀星團的旋轉速度，據悉每個球狀星團中包含數以百萬計的恆星。他們的測量顯示，這個星系的恆星可以處理自身的旋轉速度。耶魯大學天體物理學家皮耶特·范·多克姆(Pieter van Dokkum)指出，與其他同樣亮度的星系相比，「它的暗物質比我們預期的要少400倍」。
多克姆指出，這種現象很奇怪。雖然其不能顛覆科學家對星系形成的理解，但完全可以改變天體物理學家對暗物質的定義。目前來說，科學家認為星系形成於一團團的暗物質，恆星也只能在原有的暗物質基礎上形成。哥倫比亞大學的天體物理學家耶利米·奧斯特克（Jeremiah Ostriker）指出，「星系的形成是暗物質不斷積累的過程，然後普通的氣態物質落入暗物質雲團，逐漸演化成恆星，然後再形成星系。」
多克姆指出：「矛盾的是我們找到了一個沒有暗物質的星系，這就像找到一個沒有骨架的身體。它到底是怎麼形成的？如何形成了一個沒有暗物質的星系？」
加州大學歐文分校天體物理學家詹姆斯·布洛克（James Bullock）說，現在推翻原有理論還為時過早。他指出，這個名為NGC1052-DF2的星系正在圍繞另一個星系旋轉。他說，這個星系可能與其他星系一樣曾經有很多暗物質，而鄰近的星系則將暗物質帶走了。
想像一下，你完全可以把暗物質當成分散粒子的集合這個過程，你可以將暗物質形象化為單個粒子的集合。當然，暗物質並不像普通物質，一樣能夠聚集成恆星和行星。布洛克說：「最好把它看成是一種流體，就像一片黑暗的海洋。」主流的暗物質理論預測，這些「海洋」流體粒子在太空中圍繞星系運動，就像彗星圍繞太陽飛行一樣。布洛克認為，隨著暗物質粒子到達其軌道的頂端，來自鄰近星系的力量可能會將其帶走。
奧斯特克則表示，下一步是要弄清楚這個星系是個例還是常態。如果天體物理學家發現更多類似的星系，他們將不得不修改他們關於暗物質的現有理論。目前的主流理論——暗物質由所謂的弱相互作用大質量粒子（WIMP）構成，每個粒子都比質子稍重——無法解釋星系中沒有暗物質存在的現象。
其他理論可能會好一些。例如，奧斯特克提出了一個理論，該理論確實可以預測某些星系的暗物質含量極低，其中的暗物質粒子比弱相互作用大質量粒子輕1030倍。
布洛克說，如果當前的理論是錯誤的，那麼這也會影響到捕捉地球上暗物質粒子的實驗策略。諸如南達科他州的LUX-ZEPLIN實驗，義大利的XENON1T實驗以及華盛頓的ADMX實驗等都在試圖找出暗物質到底是由什麼構成的，他們希望通過天文觀測來指導探測器設計。 LUX-ZEPLIN和XENON1T都使用液體氙來尋找弱相互作用大質量粒子。 ADMX尋找另一種稱為Axion的暗物質候選對象，它比WIMP更輕，並且需要使用不同類型的檢測器。
多克姆和他的團隊計劃繼續尋找類似的星系——或者任何其他奇怪的事物來挑戰當前對暗物質的理解。 2016年，他們曾發現一個旋轉速度非常快的星系，據此推斷其暗物質含量高達99.99％。 「這個星系是相反方向上的一個驚喜，」他說。同樣，他們也不知道這個星系是如何形成的。
他們希望這些奇怪的星系能夠幫助像奧斯特克和布洛克這樣的理論家更好地理解暗物質是什麼。 多克姆表示：「我們對暗物質知之甚少，所以任何新的理論都是受歡迎的。」（晗冰）
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