沒有了暗物質，星系還是否存在？

銀河系插圖（庫存圖片） 圖片來源：stock.adobe

在一項新的自然天文學研究中，由加利福尼亞大學爾灣分校和波莫納學院的天體物理學家領導的一個國際小組報告，當小星系與更大的星系相撞時，更大的星系可以剝離這些小星系的暗物質，這些暗物質是我們無法直接通過肉眼看到的，但天體物理學家們認為暗物質一定存在，因為沒有了它的引力效應，人們無法解釋星系中恒星的運動。

這是一種有可能解釋星系在沒有暗物質的情況下是如何存在的機制——這曾經被認為是不可能的。

這一問題始于2018年，當時普林斯頓大學和耶魯大學的天體物理學家夏尼·達涅利（Shany Danieli）和彼得·范多庫姆（Pieter van Dokkum）觀測到兩個似乎不存在大部分暗物質的星系。

達涅利是最新研究的合著者之一，他說：“我們當時預期這兩個星系會存在大量暗物質。說實話，這是很令人驚訝的發現，也是個尤其幸運的發現。”

范多庫姆（van Dokkum）和達涅利（Danieli）在2018年的《自然》（Nature）論文和2020年的《天體物理學雜志快報》（Astrophysical Journal Letters）論文中報告了這一幸運發現，這一發現使星系需要暗物質的范式陷入混亂，有可能顛覆天體物理學家所認為的星系如何工作的標準模型。

波莫納學院的天文學教授豪爾赫·莫雷諾（Jorge Moreno）是這篇新論文的主要作者，他說：“過去40年來，人們一直認為星系就存在暗物質”，“特別是低質量星系明顯具有更高的暗物質水平，這使得達涅利的發現震驚了學界。對我們許多人來說，這意味著我們需要對暗物質如何幫助星系的生長有新的認識。”

宇宙大爆炸 圖片來源：pixabay

該團隊利用電腦模型模擬了一個直徑約6000萬光年的宇宙從大爆炸發生不久之后一直到現在的演變。

研究小組發現了七個缺乏暗物質的星系。在與質量比它大1000倍的相鄰星系發生多次碰撞后，它們的大部分物質被剝離，只留下恒星和一些殘余的暗物質。

“這完全就是機緣巧合，”莫雷諾說，“當我記錄下第一張圖像的時候，我立馬分享給了達涅利，并且邀請她一同加入到研究中。”

設計這套新模擬實驗的是蘇黎世大學的教授Robert Feldmann，他說：“理論工作已經表明暗物質缺陷星系應該是非常普遍的，特別是在高質量星系附近。”

UCI的天體物理學家、低質量星系專家詹姆斯·布洛克（James Bullock）（在論文中）描述了他和團隊是如何建立模型的，他們在構造模型時沒有要構造出缺乏暗物質的星系——這也讓他們的模型更具說服力，因為其設計時沒有預期最終的發現。布洛克說：“我們沒有預設這樣的互動”。

對于布洛克這樣的研究人員來說，確認在一個有大量暗物質的宇宙中可以存在缺乏暗物質的星系是一種寬慰。布洛克的職業生涯和他在其中發現的一切都取決于暗物質是使星系運轉的因素。

“觀察到存在無暗物質星系讓我有點擔心。”布洛克說。“我們有一個經過幾十年的努力發展而成的成功模型，在這個模型中，宇宙中的大部分物質都是暗物質的。大自然卻好像總是會愚弄我們。”

但是，莫雷諾說，“也不必擺脫標準的暗物質范式。”

既然天體物理學家知道了星系如何失去暗物質，莫雷諾和他的合作者們希望這些發現能啟發研究人員在夜空中尋找現實世界中的大質量星系，他們可能正在從較小的星系中剝離暗物質。

銀河系 圖片來源：pixabay

“這還不能說明丟失暗物質的模型是正確的，”布洛克說。“只有觀察到和我們預測的頻率和一般特性都相似的現象，才算是通過了一次真正的測試。”

作為這項新研究的一員，擁有土著血統的莫雷諾獲得了切諾基領導人的許可，為模擬中發現的七個無暗物質星系命名，以紀念切諾基七個家族：小鳥氏族、天空族、鹿族、長發族、紅漆家族、野生馬鈴薯氏族和狼族。

莫雷諾說：“我感到和這些星系產生了共鳴。”他補充說，正如更大的星系剝奪了較小星系的暗物質一樣，“許多土著血統的人被奪去了原本的文化。但我們的核心仍然存在，并仍在蓬勃發展。”

這項工作的經費來自美國國家科學基金會，對莫雷諾的休假支持來自波莫納學院以及Harry和格雷斯斯梯爾基金會。而達涅利由美國宇航局通過哈勃研究基金會頒發了HST-HF2-51454.01-A獎，該榮譽隸屬于空間望遠鏡科學研究所，由天文學研究大學協會根據NASA合同NAS5-26555運營。其他合作者包括來自UCI的弗朗西斯科·梅卡多（Francisco Mercado）、考特尼·克萊因（Courtney Klein）和扎卡里·哈芬（Zachary Hafen）。

翻譯：仇艷菲

審校：董子晨曦

引進來源：加利福尼亞大學（爾灣）

本文來自：中國數字科技館

標簽： 天體物理 波莫納學院 研究人員