雖然重子物質(zhì)是我們見(jiàn)得最多的物質(zhì)，但是近年的天文觀測(cè)（比如星系的旋轉(zhuǎn)曲線、引力透鏡、宇宙微波背景輻射等等）發(fā)現(xiàn)，它們的總量大約只是宇宙中所有物質(zhì)的五分之一（按照Planck衛(wèi)星的最新觀測(cè)結(jié)果，這個(gè)比例是15.7%）。剩下五分之四的物質(zhì)跟重子物質(zhì)的最大區(qū)別是，它們既不發(fā)光，也不反射光，所以我們沒(méi)法看到它們。正是因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，這些新奇的物質(zhì)被叫做暗物質(zhì)。

　　在宇宙過(guò)去一百三十多億年的崢嶸歲月里，暗物質(zhì)扮演了十分重要的角色。由于在物質(zhì)的質(zhì)量比例上占據(jù)主導(dǎo)地位，暗物質(zhì)決定了宇宙物質(zhì)在大尺度上的分布——宇宙大尺度結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬更是向我們揭示，宇宙中暗物質(zhì)的空間分布可以再現(xiàn)觀測(cè)到的星系分布，暗示了星系和暗物質(zhì)之間千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。

　　我們從小就知道，我們生活在一個(gè)名字充滿詩(shī)意的星系——“銀河系”里?，F(xiàn)代天文觀測(cè)告訴我們，銀河系只是宇宙中千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)星系的其中一員。這些星系是怎樣形成的？它們的形成有沒(méi)有普遍的規(guī)律？現(xiàn)代宇宙學(xué)和天文學(xué)里最波瀾壯闊的篇章之一，就是建立了一個(gè)以暗物質(zhì)為基礎(chǔ)的、關(guān)于“星系是如何形成”的模型。因?yàn)樾窍涤质怯^測(cè)宇宙的主要載體，在過(guò)去幾十年間，通過(guò)研究它們的性質(zhì)和形成，大大促進(jìn)了人類對(duì)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和宇宙本身的理解。今年的諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)的一半就是表彰美國(guó)科學(xué)家James Peebles在相關(guān)方面的卓越貢獻(xiàn)。

　　按照當(dāng)前的星系形成模型，在質(zhì)量上占據(jù)主導(dǎo)位置的暗物質(zhì)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(zhì)團(tuán)——天文學(xué)家把它們喚作“暗物質(zhì)暈”；之后，一開(kāi)始以氣體形式存在的重子物質(zhì)，在暗物質(zhì)暈的引力作用下，掉入暗物質(zhì)暈中。重子氣體在暗物質(zhì)暈中經(jīng)過(guò)了一系列復(fù)雜的物理過(guò)程，比如說(shuō)輻射冷卻、形成恒星、恒星在演化末期發(fā)生超新星爆發(fā)等等，最后形成了姿態(tài)萬(wàn)千、絢麗多彩的發(fā)光星系。我們的銀河系就是其中最美麗的星系之一。

　　正是因?yàn)樾纬砂l(fā)光星系的重子物理過(guò)程都發(fā)生在暗物質(zhì)暈中，暗物質(zhì)暈也被形象地認(rèn)為是發(fā)光星系“生于斯長(zhǎng)于斯”的搖籃和家園。我們的銀河系現(xiàn)在就處于一個(gè)大約是一萬(wàn)億倍太陽(yáng)質(zhì)量的暗物質(zhì)暈中，隨著太陽(yáng)圍繞著銀河系中心旋轉(zhuǎn)，我們的太陽(yáng)系也穿行在暗物質(zhì)之間。我們所認(rèn)識(shí)的每一個(gè)人、所聽(tīng)說(shuō)的每一段故事，都在這個(gè)我們眼睛看不見(jiàn)的暗物質(zhì)暈家園中。正因如此，現(xiàn)在天文學(xué)家口中的“星系”，一般包括可見(jiàn)的發(fā)光部分以及不可見(jiàn)的暗物質(zhì)暈。星系的重子物質(zhì)主要由恒星和氣體組成。

　　根據(jù)暗物質(zhì)暈的質(zhì)量大小，天文學(xué)家們給星系起了不同的名字——有比銀河系的質(zhì)量（大約是萬(wàn)億倍太陽(yáng)質(zhì)量）大得多的大質(zhì)量星系，還有比銀河系質(zhì)量小很多的矮星系。宇宙中還存在由很多星系組成的“大家伙”——“星系群”和“星系團(tuán)”。

　　星系群通常由幾個(gè)到幾十個(gè)星系組成。比如說(shuō)，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(tuán)更是宇宙中的“巨無(wú)霸”——它們通常是由成百上千個(gè)星系組成。星系團(tuán)的暗物質(zhì)暈具有十分強(qiáng)大的引力，可以捕獲足夠多的重子物質(zhì)，因此星系團(tuán)的重子質(zhì)量占比大約跟宇宙的平均重子占比接近（即大約是五分之一）。相反，矮星系的暗物質(zhì)暈質(zhì)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(fā)時(shí)吹散出去的重子氣體。因此矮星系通常由暗物質(zhì)主導(dǎo)，重子物質(zhì)所占的比例遠(yuǎn)小于五分之一。

　　很多天文學(xué)家在模擬宇宙結(jié)構(gòu)形成的數(shù)值計(jì)算中，只用暗物質(zhì)而不考慮重子物質(zhì)。而他們得到的數(shù)值模擬結(jié)果與重子物質(zhì)所表現(xiàn)出來(lái)的宇宙結(jié)構(gòu)竟也極其相似（如圖2）。

圖2。左圖是Sloan Digital Sky Survey觀測(cè)到的我們鄰近約二十億光年范圍內(nèi)的星系分布，圖中每個(gè)點(diǎn)表示一個(gè)星系。右圖是名為ELUCID的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬顯示的暗物質(zhì)在相同空間范圍內(nèi)的密度分布。從黃色、白色、藍(lán)色到黑色，顯示了從高到低的暗物質(zhì)密度。（圖片來(lái)源：王慧元；Wang et al。 2016， ApJ， 831， 164）　　異象初現(xiàn)：星系群里的反常星系

　　去年，來(lái)自耶魯大學(xué)的天文學(xué)家Pieter van Dokkum領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)在NGC1052星系群里觀測(cè)到一個(gè)奇怪的矮星系——NGC1052-DF2。他們通過(guò)測(cè)量這個(gè)星系里的球狀星團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，推算出星系的總質(zhì)量（包括暗物質(zhì)的質(zhì)量和重子物質(zhì)的質(zhì)量），發(fā)現(xiàn)這個(gè)總質(zhì)量幾乎等于由星系的光度估算出來(lái)的恒星質(zhì)量（即重子物質(zhì)，因?yàn)檫@個(gè)星系幾乎沒(méi)有氣體）。換句話說(shuō)，這個(gè)星系一反常態(tài)，缺乏大量的暗物質(zhì)！

　　為什么它沒(méi)有暗物質(zhì)暈家園？NGC1052-DF2星系甫一登場(chǎng)亮相，就引起了科學(xué)家們的廣泛興趣，他們嘗試給出了多個(gè)不同的解釋。其中一種自然的解釋是，這個(gè)星系生活在密度較高的NGC1052星系群中，如果它曾經(jīng)運(yùn)動(dòng)到靠近星系群中心的地方，那么它的物質(zhì)就會(huì)被星系群強(qiáng)大的潮汐力剝離掉。因?yàn)榘滴镔|(zhì)的分布相對(duì)松散，尤其容易被剝走。相比之下，星系中心的恒星分布更加致密，因而得以幸存下來(lái)。這樣的潮汐剝離解釋得到了超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果的支持。因此，在密度高、相互作用復(fù)雜的環(huán)境里，小星系可能會(huì)因?yàn)榇笮窍档某毕饔?，被迫失去家園，顛沛流離。

　　值得一提的是，由于NGC1052-DF2到我們的距離的估算還有爭(zhēng)議，關(guān)于它是不是缺乏暗物質(zhì)的星系，目前科學(xué)家們還在爭(zhēng)論中。但是不管怎樣，只要一個(gè)缺乏暗物質(zhì)的星系位于高密度的環(huán)境中，當(dāng)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(tuán)：反常星系也在孤立環(huán)境里

　　如果說(shuō)NGC1052-DF2處于密度較高的星系群中，可以用大星系的潮汐效應(yīng)來(lái)解釋，那么一個(gè)大膽且有趣的問(wèn)題是：有沒(méi)有處于低密度區(qū)域的缺乏暗物質(zhì)的星系？由國(guó)家天文臺(tái)的科學(xué)家郭琦領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)回答了這個(gè)問(wèn)題，他們新發(fā)現(xiàn)的19個(gè)奇特星系帶來(lái)了更大的疑團(tuán)和挑戰(zhàn)。

　　位于波多黎各的Arecibo望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)聞名遐邇的射電望遠(yuǎn)鏡。它曾經(jīng)出現(xiàn)在根據(jù)Carl Sagan的科幻小說(shuō)《Contact》改編的同名好萊塢電影中；在大眾媒體里，它也常常跟找尋地外生命聯(lián)系在一起；1974年，還是在讀博士生的Russell Hulse 和他的導(dǎo)師Joseph Taylor正是利用它首次發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星（PSR1913+16），給出了引力波存在的間接證據(jù)，并因此獲得1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2005年，Arecibo望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始了一項(xiàng)為期6年的計(jì)劃，觀測(cè)超過(guò)三萬(wàn)個(gè)河外星系的中性氫氣體的射電信號(hào)，以研究這些富含氣體的星系的性質(zhì)以及它們是怎么形成的。這個(gè)巡天觀測(cè)項(xiàng)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。

　　出于觀測(cè)的手段，ALFALFA的星系大多都富含氣體，并且位于星系密度較低的地方。ALFALFA的射電波段的數(shù)據(jù)，可以告訴我們這些星系的氣體質(zhì)量。但是為了知道這些星系的另一部分重子的質(zhì)量——恒星的質(zhì)量，我們還需要知道這些星系在可見(jiàn)光波段的信息。國(guó)家天文臺(tái)的科學(xué)家們從ALFALFA的星系跟另一個(gè)可見(jiàn)光波段的星系巡天項(xiàng)目——Sloan Digital Sky Survey （SDSS）——的交互比對(duì)星表中選取了信噪比足夠高并且不是面朝我們的星系（無(wú)法解析動(dòng)力學(xué)），初步篩選得到了324個(gè)矮星系樣本。

　　對(duì)于這324個(gè)星系樣本，科學(xué)家們從中性氫的射電積分總流量估算它們的氣體質(zhì)量，從恒星的可見(jiàn)光亮度估算了星系的恒星質(zhì)量，兩者之和就是星系的重子質(zhì)量。中性氫的譜線寬度跟星系在中性氫半徑之內(nèi)的總質(zhì)量有關(guān)，于是借助于ALFALFA的中性氫的譜線寬度，科學(xué)家們計(jì)算出了每個(gè)星系的總質(zhì)量。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，在324個(gè)矮星系中，有19個(gè)矮星系的重子質(zhì)量超過(guò)總質(zhì)量的一半！與正常的矮星系不同，這19個(gè)矮星系的重子物質(zhì)反客為主，占據(jù)了質(zhì)量的主導(dǎo)位置。這是一批缺乏暗物質(zhì)的反常矮星系！

圖3。324個(gè)星系的總質(zhì)量（縱軸）和重子質(zhì)量（橫軸）的關(guān)系?；疑摼€標(biāo)記了總質(zhì)量等于兩倍重子質(zhì)量的關(guān)系。在虛線之下的藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)記了19個(gè)缺乏暗物質(zhì)的矮星系。（圖片來(lái)源：Qi Guo et al。）　　好戲還在后頭。當(dāng)科學(xué)家們?nèi)ふ疫@19個(gè)矮星系旁邊有沒(méi)有類似NGC1052這樣的大星系群時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)有14個(gè)矮星系處于特別孤立的區(qū)域——它們位于所有附近星系群或者星系團(tuán)的三倍位力半徑之外。位力半徑通常被用來(lái)定義一個(gè)星系的半徑，三倍位力半徑之外的區(qū)域通常被認(rèn)為不會(huì)受到這個(gè)星系的潮汐作用的影響（或者形象來(lái)說(shuō)不在這個(gè)星系的“勢(shì)力范圍”之內(nèi)）。

　　這批新發(fā)現(xiàn)的19個(gè)缺乏暗物質(zhì)的矮星系跟之前的NGC1052-DF2的最大不同是，新發(fā)現(xiàn)的反常星系絕大多數(shù)都位于低密度、孤立的環(huán)境，它們幾乎不會(huì)受到大星系的潮汐作用的影響。那么問(wèn)題來(lái)了，這些星系的暗物質(zhì)為什么那么少？它們的暗物質(zhì)究竟是生來(lái)就是這么少，還是曾經(jīng)有很多但是因?yàn)槟承┪锢磉^(guò)程丟失了？這是對(duì)當(dāng)前的星系形成模型的新挑戰(zhàn)。科學(xué)家們暫時(shí)還沒(méi)有好的答案。

　　明白這些孤立的缺乏暗物質(zhì)的矮星系是怎么形成的，將會(huì)促進(jìn)我們對(duì)星系形成過(guò)程的進(jìn)一步理解。這項(xiàng)新的發(fā)現(xiàn)，也再次告訴我們：這個(gè)宇宙最有魅力的地方之一在于，它是如此的廣袤無(wú)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(gè)驚喜和彩蛋的發(fā)現(xiàn)，都可能會(huì)改變?nèi)祟悓?duì)這個(gè)周遭世界的認(rèn)識(shí)和理解。

文章轉(zhuǎn)載自新浪新聞