为什么没有暗物质的星系很难证明暗物质的不存在

2000 年，一个星系在照相底片上看起来像一个污点。它非常巨大，大小与银河系相当，但同时又异常暗淡，难以观测。有人给它编了一个目录号，然后把它归档，让它变得默默无闻。

它属于一种相对较新的超弥散星系。它们的大小与我们自己的星系大致相同，但恒星数量却比我们少数百到数千倍，因此很容易被天空中更亮的物体所掩盖。多年后，天文学家使用蜻蜓阵列（一种由 48 个远摄镜头组成的望远镜）进行了近距离观察，非常适合观察这种巨大而暗淡的物体。

天文学家 Pieter van Dokkum 及其同事想要进一步了解这些恒星稀疏结构是如何运作的，但对该星系的详细观察（最近发表在《自然》杂志上）却很奇怪。该星系似乎没有暗物质——这是天体物理学家们值得深思的一个令人费解的新证据。

那么，暗物质到底是什么？

我们不知道暗物质到底是什么，用“暗”这个词可能不是描述它的最佳方式。研究人员还提出了其他替代词，如清澈物质、透明物质或“未知物质”的变体。它本质上是我们尚未发现的某种物质的占位符。但我们知道它就在那里。很可能。

“我们还没有真正探测到暗物质粒子，如果它是一种粒子的话。我们只是通过暗物质对其他事物的影响来观察它，”范多克姆说。

这些事物包括恒星和星系在宇宙中的运动，以及光围绕有质量的物体的弯曲。

“暗物质模型在解释一系列现象方面取得了令人难以置信的成功，包括星系的崛起和星系在太空中的分布。但我们还没有真正确定它到底是什么，”范多库姆说。

我们知道它和我们在宇宙中看到的其他物质不一样，但这几乎就是我们所知道的一切。如果它存在，它有助于解释很多事情——而且它构成了宇宙总质量的绝大部分。

“如果我们能用暗物质的眼睛观察宇宙，我们在这些照片中看到的恒星和行星将只是暗物质海洋上的一小片泡沫。暗物质实际上是一切事物建立的骨架。在这种情况下，找到一个没有暗物质的星系是行不通的，”范多克姆说。

这个星系里发生了什么？

这让我们重新回到刚刚描述的怪人。

在将这个斑点状星系与蜻蜓星系联系起来后，范多克姆和同事们开始将其与其他天体图进行比较。他们注意到星系内有大约 10 个亮点；被称为球状星团的恒星群。

“这让我们非常兴奋，因为漫射光和这些球状星团的结合确实非常了不起。这意味着我们可以研究这些球状星团的运动来发现这个星系的质量，”范多库姆说。

基本上，质量越大，物体移动得越快。“如果太阳的质量是现在的四倍，那么地球就必须以两倍的速度移动才能保持在轨道上，否则它就会向太阳坠落，”范多克姆解释道。因此，通过测量我们的星球绕太阳的运动——即使你实际上不知道太阳的存在——你也可以确定恒星的质量。

他对星系也做了同样的事情。通过测量星系内部恒星或星团的运动，科学家可以计算出星系的质量。“如果物体运动得很快，那么它们之间就一定有很大的质量。如果它们运动得慢，那么它们的质量就一定很小，否则它们就会向内坍缩，”范多库姆说。

这个星系的移动速度非常非常慢。事实上，它移动得非常慢，以至于星系团看起来几乎一动不动。对范·多库姆来说，这意味着这个星系不可能包含一堆暗物质。

这甚至不是这个星系最令人费解的地方。它与其他表面上看起来相似的星系相比也很奇怪。几年前，范多克姆和同事发现了一个几乎完全由暗物质组成的星系。这与它完全相反，但这两个巨大的星系团看起来非常相似。

“在这种情况下，眼睛是会骗人的。两种完全不同的物体碰巧看起来一样。这本身就非常令人兴奋，”范多克姆说。通常，天文学家认为，通过观察星系中的恒星质量，他们可以准确估计星系中的暗物质。“这似乎适用于银河系这样的星系。但如果你深入研究这些非常弥散的物体，这显然完全不成立。这是我们不知道也没有预料到的，”范多克姆说。

这意味着什么？

矛盾的是，没有暗物质的星系会给那些寻找不涉及暗物质的宇宙结构解释的研究人员带来问题。

“人们正在努力寻找[暗物质]，但寻找的时间越长，人们就越会想‘也许它是别的东西，也许我们只是走错了路’，”范多克姆说。

一些替代策略包括重新审视我们对引力的基本理解并拒绝暗物质的想法，并表示所有恒星和星系的运动都可以用不同的物理解释来理解。

但范·多库姆表示，这个物体对这些理论提出了真正的挑战。如果修正后的引力理论成立，而暗物质并不存在，那么支配所有星系的物理定律应该是相同的；解释暗物质对一个星系影响的物理结构也应该影响这个星系。因此，在这种范式转变下，这个新星系似乎违背了物理定律。“这实际上表明它是某种东西，”范·多库姆解释道。“它是星系有或没有的东西。它几乎总是有，但显然有时没有。这意味着它要么与某个物体有关，要么不有关，并且有自己独立于其他星系的存在。”

这对乔迪·库利 (Jodi Cooley) 等物理学家来说是个好消息，他们正在进行旨在探测地球上暗物质的实验。这些实验尚未成功直接探测到暗物质，因此，即使从遥远的星系来看，他们的研究方向是正确的，这尤其令人振奋。

“这告诉我可以全力以赴，”没有参与这篇论文的库利说。“不幸的是，它没有告诉我应该去哪里找。但它继续证实了暗物质是一种粒子的观点，这让我非常高兴。”

接下来是什么？

像范多克姆这样的天文学家正在寻找其他候选者，试图弄清楚宇宙中可能存在多少个这样的物体，以及它们在宇宙中的分布情况。

“然后我们会继续搜寻，看看是否能找到更多，我相信一旦结果公布，其他人也会这么做，”范多克姆说。“好吧，首先他们可能会花一些时间来证明我们错了，”他笑着补充道。“但之后，他们会开始寻找其他物体。”

与此同时，其他物理学领域的科学家也将继续他们的探索。

“当你寻找暗物质时，就会出现一种互补性，”库利解释道。当她试图在地球上探测暗物质粒子时，大型强子对撞机的科学家们正在将粒子撞击在一起，试图创造一些自己的粒子并研究其特性。与此同时，像范多克姆这样的天体物理学家和天文学家继续探索暗物质对宇宙结构的明显影响。

“如果我们想了解暗物质是什么，以及整个图景到底发生了什么，我们就想知道我们在地球上探测到的东西，以及他们在对撞机中制造的东西，与他们在宇宙中看到的东西是一样的，”库利说。“作为一个社区，我们希望有一天能够共同了解真正的大局。”