這個孤立的星系中心卻充滿了暗物質！

2020-10-18 博科園


天文學家利用美國宇航局錢德拉x射線天文臺的數據，發現了一個被孤立了數十億年的星系，其核心中包含的暗物質比預期要多。這個星系被稱為Markarian 1216(縮寫為Mrk 1216)，包含的恆星年齡在宇宙年齡的10%以內，也就是說，幾乎和宇宙本身一樣古老。科學家們發現它經歷了與典型星系不同的演化過程，無論是在它的恆星方面，還是通過引力將星系凝聚在一起的無形暗物質方面。mrk1216屬於橢圓型星系家族，其中心的恆星密度比其他大多數星系都要高。

天文學家們認為它們是紅色緻密星系的後代，這些星系被稱為「紅塊」，在大爆炸後大約10億年形成，但在大約100億年前停止了增長。如果這個解釋是正確的，那麼mrk1216中的暗物質和它的星系表親也應該被緊密地包裹起來。為了第一次驗證這個想法，兩位天文學家研究了距離Mrk 1216中心不同距離熱氣體的x射線亮度和溫度，這樣就可以「稱」出星系中央存在多少暗物質。加州大學歐文分校的戴維·布奧特(David Buote)說：

當我們將錢德拉數據與計算機模型進行比較時，發現暗物質的濃度比在其他總質量類似星系中發現的要高得多。這告訴我們，mrk1216的歷史與典型星系非常不同。基本上它所有的恆星和暗物質都是在很久以前形成，在過去的100億年裡幾乎沒有增加。根據這項新研究，在大爆炸後大約30到40億年，圍繞著Mrk 1216中心形成了一個光環，或者說是一個模糊的暗物質球體。這個光暈被認為比星系中的恆星還要大，這樣一個紅金塊星系的形成是今天所看到許多橢圓星系的典型特徵。

然而，與Mrk 1216不同的是，當較小星系在宇宙時間內與它們合併時，大多數巨大的橢圓星系繼續逐漸變大。研究報告的撰寫者之一、加州大學歐文分校的艾倫·巴斯說：在相對較近的地方看到Mrk 1216等緻密橢圓星系中，恆星的年齡和密度提供了第一個關鍵證據，證明它們是遠距離觀測到「紅色金塊」的後代。這裡看到的暗物質光暈證明了這一點，此前，天文學家估計mrk1216中的超大質量黑洞比預期更大。

然而，這項最新研究得出的結論是，黑洞質量可能不到太陽質量的40億倍。這聽起來很多，但對於像mrk1216這樣大的星系來說，它的質量可能並不大。研究人員還尋找了星系中心超大質量黑洞爆發的跡象。他們在高溫氣體中發現了一些空洞，類似於在其他大質量星系和英仙座星系團中發現的空洞，但需要更多數據來證實它們的存在。mrk1216數據也提供了關於暗物質的有用信息，由於暗物質從未被直接觀測到，一些科學家質疑它是否存在。

在這項研究中，Buote和Barth用標準「牛頓」引力模型和一種被稱為修正牛頓動力學(modified Newtonian dynamics，簡稱MOND)的替代理論解釋了錢德拉星係數據。結果表明，這兩種引力理論都要求在mrk1216中心有相同數量的暗物質，有效地消除了MOND解釋的必要性。在未來，科學家希望進一步研究暗物質的性質，暗物質在mrk1216中心的密集堆積，可能為預測不那麼集中的暗物質非標準理論提供了一個有趣的測試，比如暗物質粒子通過引力以外的其他方式相互作用。其研究發現發表在《天體物理學》上。

博科園｜研究/來自：Chandra X-ray Center

參考期刊《天體物理學》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab1008

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