如果從南半球仰望夜空，我們很容易就能看大麥哲倫星雲。它看上去像是銀河系的一條旋臂，但實際上卻是一個直徑約為3萬光年、擁有數十億顆恆星的小星系。大麥哲倫星雲並不是唯一一個圍繞著銀河系緩慢旋轉的衛星星系。早在1999年，天文學家就已經探測到了十幾個這樣的伴星系，其中許多是肉眼無法觀測到的。那時，計算機模擬已經預測到，銀河系的附近應該熙熙攘攘地集聚著數千個微小的伴星系。那麼，那些失蹤的衛星星系都去哪了？這個謎團困擾了天文學家近20年。有人提出這可能涉及到星系演化的新想法；另一些人則提出這與神秘的暗物質有關。
但在過去的幾年裡，發生了一件奇怪的事情：新的觀測讓天文學家發現了更多被隱藏的衛星星系；但同時，更新後的計算機模擬卻預測，存在的衛星星系要比之前預測的少得多。也就是說，在21世紀初，天文學家還在擔心衛星星系太少；但是到了2018年，衛星星系又似乎太多了——失蹤衛星星系的問題來了個大的反轉。現在，天文學家看到了一個潛在可行的解決方案。但矛盾的是，解決衛星星系「供過於求」的問題可能意味著要假設衛星星系的數量要比之前認為的還多，前提是這些衛星星系都要非常小。
對星系暈中暗物質的模擬顯示了許多暗物質團塊的存在。天文學家想知道，每個團塊的質量必須多大，才能吸引足夠多的普通物質形成矮星系。圖片：Shea C. Garrison-Kimmel / ELVIS比矮星系更暗淡的星系
2004年，天文學家在解決衛星星系失蹤問題的方向上邁出了第一步。那時，紐約大學的博士後貝絲·威爾曼（Beth Willman）發現，自己正盯著的電腦屏幕上的一張黑色圖片中央是（至少她覺得是）一個暗淡模糊的斑點，上面點綴著來自銀河系的紅色、橙色和藍色的前景恆星。她擔心那個模糊的斑點只是自己想像出來的東西。如果那個斑點被是一個真實的物理實體，那它可能是一個超暗淡矮星系，它的亮度只有當時已知的最小星系的1%。但這似乎又是不可能的。就在兩年前，天文學家們還在爭論，為什麼沒有發現更多的矮星系。此外，要如此微弱的天體去維持那些能激發恆星形成所必需的氣體似乎有些牽強。威爾曼回憶說：「我當時非常猶豫要不要對它進行解讀。我想，這些東西不可能真的存在，它們看起來非常微弱。
但事實證明這是真的。這一發現表明了銀河系的外緣還隱藏著更多的秘密。在斯隆數位化巡天（SDSS）和暗能量巡天（DES）的幫助下，已知衛星星系的數量增加到了50多個。許多星系與威爾曼發現的天體相似——可能小到只能容納1000顆恆星的超暗淡矮星系。但即使是這些巡天項目也沒有覆蓋整個天空。它們也不能確定銀河系附近的每一個矮星系。有些非常暗淡的矮星系超過一定距離就再也無法看見了。2008年，天文學家發表了一系列將探測極限納入考量的論文，以試圖更準確地預測銀河系中聚集的矮星係數量。
得到的統計數字令人震驚。太空望遠鏡科學研究所的天文學家們估計，這種看不見的矮星系可能有多達1000個——這個數字比剛開始研究失蹤衛星星系問題時知道的12個要大得多。現在有一種觀點認為：有許多非常微小的星系潛伏在那裡，但我們看不到，它們就是一些小小的幽靈星系。與此同時，研究人員一直在對星系形成過程運行新的計算機模擬。他們發現，像銀河系這樣的大星系應該會在整個宇宙時間裡吞噬掉這些幽靈星系。
更好的宇宙模型
早期的針對宇宙歷史的計算機模擬預測，應該有成千上萬個星系圍繞著銀河系，但是這些預測有一個主要的局限性：它們只包括了暗物質。早期的模擬是存在問題的，原因有二。首先，要模擬宇宙138億年的歷史並包含它的所有複雜性顯然是不可能的。但是如果只是模擬暗物質，就變得可行了。這是因為據我們所知暗物質相對簡單，只通過引力相互作用。與此相反的是，普通物質則會以多種方式相互作用。例如，恆星會發生災難性的爆炸，這些爆炸將能量釋放到宇宙中，加熱周圍的氣體；它們還在宇宙中播撒重元素，為下一代恆星提供燃料。
研究人員曾經認為，這些細節可以忽略不計。事實上，只包含暗物質的模擬在重建宇宙的大尺度宇宙結構方面做出了卓越的貢獻。這就引出了第二個原因：暗物質負責宇宙的結構布局。暗物質提供腳手架，支撐著散布在宇宙各處的星系。以我們的銀河係為例，銀河系嵌在一個巨大的暗物質雲（或稱暗物質暈）中，它的大小遠超銀河系的螺旋狀星系盤。宇宙學家認為，首先形成的是暗物質暈。隨著時間的推移，暗物質暈的引力吸引了所有的普通物質，形成了塵埃和恆星的旋轉盤。此外，暗物質暈還包含許多微小的暈，這些微小的暗物質暈本身則構成了衛星星系（如大小麥哲倫星雲）的架構。正因為如此，暗物質模擬實際上是對宇宙中可見物質的良好近似。
好，卻並不完美。更好的計算設備、更快的處理器，加上對圍繞普通物質的物理過程（比如恆星爆炸的無情影響）的更好理解，天文學家已經開始獲得能將正常物質包括在內的複雜模擬所需的工具。2016年，加州大學戴維斯分校的Andrew Wetzel和同事們首次對一個中央大質量星系與它周圍眾多矮星系進行詳盡的模擬。它與之前只包含暗物質的模型一點也不像。在Wetzel的模型中，中央星系摧毀了非常多非常矮星系，以至於在138億年之後，只剩下了其中的13個。儘管之前存在大量的矮星系，現在卻幾乎所剩寥寥了。
天文學家開始研究其中的原因。2017年年中，Wetzel和加州理工學院的天文學家Shea Garrison-Kimmel以及他們的同事發表了另一篇論文，比較了包含與不包含普通物質的模擬。結果發現，在包含普通物質的模擬中，星系盤中額外的物質會給中央星系一個更強的引力場。這正是一切區別之所在：沒有普通物質，矮星系會在銀河系裡進進出出，可以毫髮無損地逃脫；但是有了普通物質，星系盤會把矮星系撕成碎片。這項工作進一步地減少了由模型所預測到的矮星係數量。頗為矛盾的是，它讓天文學家認為的潛伏在銀河系邊緣的矮星數量進一步增加。
模擬銀河系
Garrison-Kimmel和同事們認為，銀河系的星系盤是貪婪的，它吞噬矮星系，但只吞食那些星系盤附近的星系。如果將銀河系比作一個愛吃餅乾的怪獸，那它是一隻只會吃掉房子裡所有的餅乾，但可能不會跑到麵包店去吃外面的餅乾怪獸。正因如此，我們應該預期，在銀河系星系盤附近發現的矮星系會相對較少，而徘徊在銀河系暈外邊緣的星系會多得多，遠遠超出我們所能看到的範圍。考慮到這一點時，研究人員估計，可能有800到1700個衛星星系恰好超出了我們最好的天文臺所能探測的範圍。但是當研究小組在模擬有多少個衛星星系應該形成於宇宙早期時，他們發現那些數字要小得多，只有100到300個。
2018年11月，由Bullock和他的同事進行的一項研究表明，這個問題可能更加嚴重。以前的模擬關注的只是與銀河系大小相近但缺乏明確特徵的星系，而這次新的模擬則試圖模擬銀河系本身。Bullock的研究小組進行了一系列模擬（全部以貓王的不同歌曲命名），對銀河系的質量、結構和演化進行全面的最佳評估。這些模擬結果表明，我們的銀河系確實像一隻餅乾怪獸。大概只有30個衛星星系有倖存活到了今天。這比天文學家已經發現的數量要少。這兩項研究都表明，與20年前相比，研究人員面臨著相反的問題：銀河系周圍似乎聚集了數以千計的星系，但模擬預測的數量卻只有幾十個。
矮星系與暗物質
但是Bullock和同事們不僅概述了這個問題，還提出了解決方案。長期以來，計算機模擬一直表明，圍繞銀河系形成了大量微小的暗物質暈。但是天文學家認為這些暗物質暈並沒有形成星系。他們認為這存在一個閾值，當低於這個閾值時，微小的暗物質暈就沒有足夠的引力去保持恆星形成所必需的氣體。因此這些暗物質暈裡既沒有恆星，也不可見。近20年來，天文學家一直認為，能夠形成星系的暗物質暈的質量閾值大約是太陽質量的五億倍，但是Bullock的研究小組懷疑這個數字太高了，他們預測這個閾值應該大約只是太陽質量的3000萬倍。
如果這樣一小團暗物質真的能抓住足夠多的普通物質來形成恆星（進而形成星系），那麼模擬結果就與觀測結果相匹配。事實上，Bullock的研究小組能夠模擬真實得可怕的星系：不僅模擬的微小暗物質暈的數量與觀測結果的預測吻合，而且星系軌道的形狀也與已探測到的結果一樣。這些微小的暗物質暈是如何形成比之前認為的要小得多的矮星系的呢？這仍然是個未知之謎，但是它們有可能有助於天文學家了解暗物質的本質。大多數宇宙學家認為，暗物質粒子是「冷的」，也就是說它們的移動很緩慢。正因如此，它們可以聚集成許多微小的暈，為矮星系的形成提供諸多場所。而根據定義，「熱的」暗物質運動速度更快，不會輕易地聚集起來。
事實上，熱的暗物質粒子根本無法形成微小的暗物質暈。所以，這些矮星系的存在就說明了熱暗物質不可能起到了什麼作用。這一點的重要性不可低估。因為研究人員一直想要確定暗物質的粒子屬性，以便能夠了解宇宙中這個缺失的組成部分。科學家是否真的能利用這些矮星系來研究暗物質的一些基本性質呢？有研究指明，這或許是一條正確的道路。有研究人員認為，他們很快就能將這些從超暗淡矮星系中學到的東西擴展到暗物質方面的研究了。那麼銀河系是否只是一個例外？我們可以寄希望於一些未來的觀測項目，比如大型綜合巡天望遠鏡（LSST）。LSST將把觀測範圍擴大到銀河系以外，以幫助天文學家更好地掌握那些隱藏在我們附近的星系——包括圍繞著仙女座星系的那些星系。
如果未來的研究能夠證實，這些微小的星系大量地存在於銀河系、仙女座和其他星系的周圍，那麼它不僅會影響我們對暗物質的理解，還將增加宇宙中星系的絕對數量。Bullock認為，在每一個大小與銀河系相近的星系周圍，都可能圍繞著大約1000個微小的星系。此外，矮星系還佔據了大星系之間看似茫茫虛空的廣闊空間。因此，宇宙中每一個大星系的周圍可能都圍繞著多達10萬個的矮星系。據天文學家目前的估計，在可觀測宇宙中可能存在著上千億個星系。但這些都是大小與銀河系相當的星系。如果將計數擴展到微小的星系，那麼星系總量可能超過一億億（1016）。
哈勃超深空揭示了隱藏在一小片天空中的大約一萬個可見星系。圖片：NASA, ESA, and S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team在那張經典的哈勃超深空照片中，我們從一小片黑暗的天空就發現了一萬個星系。然而，在這幅圖像中，可能有10億個小星系隱藏在我們的視線之外。當然，它們可能有別於我們在哈勃檔案中看到的那些標誌性星系，而是更像威爾曼在2004年看到的那類模糊的斑點。但過去幾年的發現表明，在哈勃望遠鏡視線所及之外，存在著數量遠超我們想像的星系。
博科園-科學科普｜文：Shannon Hall/原理/principia1687博科園-傳遞宇宙科學之美