最近，來自中國科學院國家天文臺的郭琦研究員領銜的研究團隊發現了一批反常的天體——19個缺乏暗物質的矮星系。之前人們熟知的矮星系都含有大量的暗物質，但這批新發現的矮星系可能會改變我們對「星系是如何形成的」這一問題的認識。這項研究成果於北京時間11月26日凌晨發表於《自然·天文》(Nature Astronomy)雜誌。
暗物質：星系的搖籃和家園
在宇宙學家的眼中，我們日常所「見」的物質，從地球上的芸芸萬物到夜空中的點點繁星，都叫做重子物質。因為它們在質量上絕大部分是由重子（比如說我們熟悉的質子、中子）組成的。重子物質有一個很重要的特點，就是它能發生電磁相互作用，換句話說，它可以發光或者反射光。這裡說的「光」除了我們肉眼可見的光，也包括其他波段的電磁波。正因如此，重子物質是我們「見」得最多的物質。
雖然重子物質是我們見得最多的物質，但是近年的天文觀測（比如星系的旋轉曲線、引力透鏡、宇宙微波背景輻射等等）發現，它們的總量大約只是宇宙中所有物質的五分之一（按照Planck衛星的最新觀測結果，這個比例是15.7%）。剩下五分之四的物質跟重子物質的最大區別是，它們既不發光，也不反射光，所以我們沒法看到它們。正是因為這個特點，這些新奇的物質被叫做暗物質。
在宇宙過去一百三十多億年的崢嶸歲月裡，暗物質扮演了十分重要的角色。由於在物質的質量比例上佔據主導地位，暗物質決定了宇宙物質在大尺度上的分布——宇宙大尺度結構。現代超級計算機模擬更是向我們揭示，宇宙中暗物質的空間分布可以再現觀測到的星系分布，暗示了星系和暗物質之間千絲萬縷的關係。
我們從小就知道，我們生活在一個名字充滿詩意的星系——「銀河系」裡。現代天文觀測告訴我們，銀河系只是宇宙中千千萬萬個星系的其中一員。這些星系是怎樣形成的？它們的形成有沒有普遍的規律？現代宇宙學和天文學裡最波瀾壯闊的篇章之一，就是建立了一個以暗物質為基礎的、關於「星系是如何形成」的模型。因為星系又是觀測宇宙的主要載體，在過去幾十年間，通過研究它們的性質和形成，大大促進了人類對宇宙大尺度結構和宇宙本身的理解。今年的諾貝爾獎物理學獎的一半就是表彰美國科學家James Peebles在相關方面的卓越貢獻。
按照當前的星系形成模型，在質量上佔據主導位置的暗物質在自身引力的作用下，先形成了很多密度很高、接近球形的暗物質團——天文學家把它們喚作「暗物質暈」；之後，一開始以氣體形式存在的重子物質，在暗物質暈的引力作用下，掉入暗物質暈中。重子氣體在暗物質暈中經過了一系列複雜的物理過程，比如說輻射冷卻、形成恆星、恆星在演化末期發生超新星爆發等等，最後形成了姿態萬千、絢麗多彩的發光星系。我們的銀河系就是其中最美麗的星系之一。
正是因為形成發光星系的重子物理過程都發生在暗物質暈中，暗物質暈也被形象地認為是發光星系「生於斯長於斯」的搖籃和家園。我們的銀河系現在就處於一個大約是一萬億倍太陽質量的暗物質暈中，隨著太陽圍繞著銀河系中心旋轉，我們的太陽系也穿行在暗物質之間。我們所認識的每一個人、所聽說的每一段故事，都在這個我們眼睛看不見的暗物質暈家園中。正因如此，現在天文學家口中的「星系」，一般包括可見的發光部分以及不可見的暗物質暈。星系的重子物質主要由恆星和氣體組成。
圖1.星系的發光物質和暗物質暈。(圖片來源：Addison Wesley)
根據暗物質暈的質量大小，天文學家們給星系起了不同的名字——有比銀河系的質量(大約是萬億倍太陽質量)大得多的大質量星系，還有比銀河系質量小很多的矮星系。宇宙中還存在由很多星系組成的「大傢伙」——「星系群」和「星系團」。
星系群通常由幾個到幾十個星系組成。比如說，我們的銀河系和鄰居仙女座星系以及周邊的矮星系組成了本星系群。而星系團更是宇宙中的「巨無霸」——它們通常是由成百上千個星系組成。星系團的暗物質暈具有十分強大的引力，可以捕獲足夠多的重子物質，因此星系團的重子質量佔比大約跟宇宙的平均重子佔比接近（即大約是五分之一）。相反，矮星系的暗物質暈質量比較小，它的引力不足以捕獲一些溫度比較高的重子氣體以及超新星爆發時吹散出去的重子氣體。因此矮星系通常由暗物質主導，重子物質所佔的比例遠小於五分之一。
很多天文學家在模擬宇宙結構形成的數值計算中，只用暗物質而不考慮重子物質。而他們得到的數值模擬結果與重子物質所表現出來的宇宙結構竟也極其相似（如圖2）。
圖2.左圖是Sloan Digital Sky Survey觀測到的我們鄰近約二十億光年範圍內的星系分布，圖中每個點表示一個星系。右圖是名為ELUCID的超級計算機模擬顯示的暗物質在相同空間範圍內的密度分布。從黃色、白色、藍色到黑色，顯示了從高到低的暗物質密度。（圖片來源：王慧元；Wang et al. 2016, ApJ, 831, 164）
異象初現：星系群裡的反常星系
去年，來自耶魯大學的天文學家Pieter van Dokkum領銜的研究團隊在NGC1052星系群裡觀測到一個奇怪的矮星系——NGC1052-DF2。他們通過測量這個星系裡的球狀星團的運動，推算出星系的總質量（包括暗物質的質量和重子物質的質量），發現這個總質量幾乎等於由星系的光度估算出來的恆星質量（即重子物質，因為這個星系幾乎沒有氣體）。換句話說，這個星系一反常態，缺乏大量的暗物質！
為什麼它沒有暗物質暈家園？NGC1052-DF2星系甫一登場亮相，就引起了科學家們的廣泛興趣，他們嘗試給出了多個不同的解釋。其中一種自然的解釋是，這個星系生活在密度較高的NGC1052星系群中，如果它曾經運動到靠近星系群中心的地方，那麼它的物質就會被星系群強大的潮汐力剝離掉。因為暗物質的分布相對鬆散，尤其容易被剝走。相比之下，星系中心的恆星分布更加緻密，因而得以倖存下來。這樣的潮汐剝離解釋得到了超級計算機模擬的結果的支持。因此，在密度高、相互作用複雜的環境裡，小星系可能會因為大星系的潮汐作用，被迫失去家園，顛沛流離。
值得一提的是，由於NGC1052-DF2到我們的距離的估算還有爭議，關於它是不是缺乏暗物質的星系，目前科學家們還在爭論中。但是不管怎樣，只要一個缺乏暗物質的星系位於高密度的環境中，當前的星系形成模型是能夠解釋它的前世今生的。
更大的疑團：反常星系也在孤立環境裡
如果說NGC1052-DF2處於密度較高的星系群中，可以用大星系的潮汐效應來解釋，那麼一個大膽且有趣的問題是：有沒有處於低密度區域的缺乏暗物質的星系？由國家天文臺的科學家郭琦領銜的研究團隊回答了這個問題，他們新發現的19個奇特星系帶來了更大的疑團和挑戰。
位于波多黎各的Arecibo望遠鏡是一臺聞名遐邇的射電望遠鏡。它曾經出現在根據Carl Sagan的科幻小說《Contact》改編的同名好萊塢電影中；在大眾媒體裡，它也常常跟找尋地外生命聯繫在一起；1974年，還是在讀博士生的Russell Hulse 和他的導師Joseph Taylor正是利用它首次發現了脈衝雙星（PSR1913+16），給出了引力波存在的間接證據，並因此獲得1993年的諾貝爾物理學獎。2005年，Arecibo望遠鏡開始了一項為期6年的計劃，觀測超過三萬個河外星系的中性氫氣體的射電信號，以研究這些富含氣體的星系的性質以及它們是怎麼形成的。這個巡天觀測項目被稱為Arecibo Legacy Fast ALFA Survey，縮寫ALFALFA恰巧是植物紫苜蓿的英文名稱。
出於觀測的手段，ALFALFA的星系大多都富含氣體，並且位於星系密度較低的地方。ALFALFA的射電波段的數據，可以告訴我們這些星系的氣體質量。但是為了知道這些星系的另一部分重子的質量——恆星的質量，我們還需要知道這些星系在可見光波段的信息。國家天文臺的科學家們從ALFALFA的星系跟另一個可見光波段的星系巡天項目——Sloan Digital Sky Survey (SDSS)——的交互比對星表中選取了信噪比足夠高並且不是面朝我們的星系（無法解析動力學），初步篩選得到了324個矮星系樣本。
對於這324個星系樣本，科學家們從中性氫的射電積分總流量估算它們的氣體質量，從恆星的可見光亮度估算了星系的恆星質量，兩者之和就是星系的重子質量。中性氫的譜線寬度跟星系在中性氫半徑之內的總質量有關，於是藉助於ALFALFA的中性氫的譜線寬度，科學家們計算出了每個星系的總質量。他們驚訝地發現，在324個矮星系中，有19個矮星系的重子質量超過總質量的一半！與正常的矮星系不同，這19個矮星系的重子物質反客為主，佔據了質量的主導位置。這是一批缺乏暗物質的反常矮星系！
圖3.324個星系的總質量（縱軸）和重子質量（橫軸）的關係。灰色虛線標記了總質量等於兩倍重子質量的關係。在虛線之下的藍色數據點標記了19個缺乏暗物質的矮星系。（圖片來源：Qi Guo et al.）
圖4.新發現的奇特矮星系之一——UGC 7920——的真容。（圖片來源：DECaLS-DR8, 胡慧傑）
好戲還在後頭。當科學家們去尋找這19個矮星系旁邊有沒有類似NGC1052這樣的大星系群時，他們發現有14個矮星系處於特別孤立的區域——它們位於所有附近星系群或者星系團的三倍位力半徑之外。位力半徑通常被用來定義一個星系的半徑，三倍位力半徑之外的區域通常被認為不會受到這個星系的潮汐作用的影響（或者形象來說不在這個星系的「勢力範圍」之內）。
這批新發現的19個缺乏暗物質的矮星系跟之前的NGC1052-DF2的最大不同是，新發現的反常星系絕大多數都位於低密度、孤立的環境，它們幾乎不會受到大星系的潮汐作用的影響。那麼問題來了，這些星系的暗物質為什麼那麼少？它們的暗物質究竟是生來就是這麼少，還是曾經有很多但是因為某些物理過程丟失了？這是對當前的星系形成模型的新挑戰。科學家們暫時還沒有好的答案。
明白這些孤立的缺乏暗物質的矮星系是怎麼形成的，將會促進我們對星系形成過程的進一步理解。這項新的發現，也再次告訴我們：這個宇宙最有魅力的地方之一在於，它是如此的廣袤無垠，悄悄地在好多我們意想不到的地方埋藏了各種各樣的驚喜和彩蛋。每一個驚喜和彩蛋的發現，都可能會改變人類對這個周遭世界的認識和理解。
作者：廖世鴻、鄭徵、胡慧傑、郭琦
來源：中國科學院國家天文臺