最近，来自中国科学院国家地理台的郭琦研讨员领衔的研讨团队发现了一批失常的天体——19个缺少暗物质的矮星系。之前人们熟知的矮星系都含有许多的暗物质，但这批新发现的矮星系可能会改动咱们对“星系是怎样构成的”这一问题的知道。这项研讨成果于北京时间11月26日清晨发表于《天然·地理》(Nature Astronomy)杂志。
暗物质：星系的摇篮和家乡
在国际学家的眼中，咱们日常所“见”的物质，从地球上的芸芸万物到夜空中的点点繁星，都叫做重子物质。由于它们在质量上绝大部分是由重子（比方说咱们了解的质子、中子）组成的。重子物质有一个很重要的特色，便是它能发作电磁相互效果，换句话说，它能够发光或许反射光。这儿说的“光”除了咱们肉眼可见的光，也包含其他波段的电磁波。正因如此，重子物质是咱们“见”得最多的物质。
尽管重子物质是咱们见得最多的物质，可是近年的地理观测（比方星系的旋转曲线、引力透镜、国际微波布景辐射等等）发现，它们的总量大约仅仅国际中一切物质的五分之一（依照Planck卫星的最新观测成果，这个份额是15.7%）。剩余五分之四的物质跟重子物质的最大区别是，它们既不发光，也不反射光，所以咱们无法看到它们。正是由于这个特色，这些别致的物质被叫做暗物质。
在国际曩昔一百三十多亿年的峥嵘岁月里，暗物质扮演了非常重要的人物。由于在物质的质量份额上占有主导地位，暗物质决议了国际物质在大标准上的散布——国际大标准结构。现代超级核算机模仿更是向咱们提醒，国际中暗物质的空间散布能够再现观测到的星系散布，暗示了星系和暗物质之间千丝万缕的联络。
咱们从小就知道，咱们生活在一个姓名充溢诗意的星系——“银河系”里。现代地理观测告知咱们，银河系仅仅国际中千千万万个星系的其间一员。这些星系是怎样构成的？它们的构成有没有遍及的规则？现代国际学和地理学里最汹涌澎湃的华章之一，便是建立了一个以暗物质为根底的、关于“星系是怎样构成”的模型。由于星系又是观测国际的首要载体，在曩昔几十年间，经过研讨它们的性质和构成，大大促进了人类对国际大标准结构和国际本身的了解。本年的诺贝尔奖物理学奖的一半便是赞誉美国科学家James Peebles在相关方面的卓越贡献。
依照当时的星系构成模型，在质量上占有主导方位的暗物质在本身引力的效果下，先构成了许多密度很高、挨近球形的暗物质团——地理学家把它们唤作“暗物质晕”；之后，一开端以气体方式存在的重子物质，在暗物质晕的引力效果下，掉入暗物质晕中。重子气体在暗物质晕中经过了一系列杂乱的物理进程，比方说辐射冷却、构成恒星、恒星在演化晚期发作超新星迸发等等，最终构成了姿态万千、绚丽多彩的发光星系。咱们的银河系便是其间最美丽的星系之一。
正是由于构成发光星系的重子物理进程都发作在暗物质晕中，暗物质晕也被形象地以为是发光星系“生于斯长于斯”的摇篮和家乡。咱们的银河系现在就处于一个大约是一万亿倍太阳质量的暗物质晕中，跟着太阳围绕着银河系中心旋转，咱们的太阳系也穿行在暗物质之间。咱们所知道的每一个人、所传闻的每一段故事，都在这个咱们眼睛看不见的暗物质晕家乡中。正因如此，现在地理学家口中的“星系”，一般包含可见的发光部分以及不行见的暗物质晕。星系的重子物质首要由恒星和气体组成。
图1.星系的发光物质和暗物质晕。(图片来自：Addison Wesley)
依据暗物质晕的质量巨细，地理学家们给星系起了不同的姓名——有比银河系的质量(大约是万亿倍太阳质量)大得多的大质量星系，还有比银河系质量小许多的矮星系。国际中还存在由许多星系组成的“大家伙”——“星系群”和“星系团”。
星系群一般由几个到几十个星系组成。比方说，咱们的银河系和街坊仙女座星系以及周边的矮星系组成了本星系群。而星系团更是国际中的“巨无霸”——它们一般是由成百上千个星系组成。星系团的暗物质晕具有非常强壮的引力，能够捕获足够多的重子物质，因而星系团的重子质量占比大约跟国际的均匀重子占比挨近（即大约是五分之一）。相反，矮星系的暗物质晕质量比较小，它的引力不足以捕获一些温度比较高的重子气体以及超新星迸发时吹散出去的重子气体。因而矮星系一般由暗物质主导，重子物质所占的份额远小于五分之一。
许多地理学家在模仿国际结构构成的数值核算中，只用暗物质而不考虑重子物质。而他们得到的数值模仿成果与重子物质所表现出来的国际结构竟也极端相似（如图2）。
图2.左图是Sloan Digital Sky Survey观测到的咱们邻近约二十亿光年范围内的星系散布，图中每个点表明一个星系。右图是名为ELUCID的超级核算机模仿显现的暗物质在相同空间范围内的密度散布。从黄色、白色、蓝色到黑色，显现了从高到低的暗物质密度。（图片来自：王慧元；Wang et al. 2016, ApJ, 831, 164）
异象初现：星系群里的失常星系
上一年，来自耶鲁大学的地理学家Pieter van Dokkum领衔的研讨团队在NGC1052星系群里观测到一个古怪的矮星系——NGC1052-DF2。他们经过丈量这个星系里的球状星团的运动，推算出星系的总质量（包含暗物质的质量和重子物质的质量），发现这个总质量简直等于由星系的光度预算出来的恒星质量（即重子物质，由于这个星系基本上没有气体）。换句话说，这个星系一失常态，缺少许多的暗物质！
为什么它没有暗物质晕家乡？NGC1052-DF2星系甫一上台露脸，就引起了科学家们的广泛爱好，他们测验给出了多个不同的解说。其间一种天然的解说是，这个星系生活在密度较高的NGC1052星系群中，假如它从前运动到接近星系群中心的当地，那么它的物质就会被星系群强壮的潮汐力剥离掉。由于暗物质的散布相对松懈，特别简单被剥走。相比之下，星系中心的恒星散布愈加细密，因而得以幸存下来。这样的潮汐剥离解说得到了超级核算机模仿的成果的支撑。因而，在密度高、相互效果杂乱的环境里，小星系可能会由于大星系的潮汐效果，被逼失掉家乡，流离失所。
值得一提的是，由于NGC1052-DF2到咱们的间隔的预算还有争议，关于它是不是缺少暗物质的星系，现在科学家们还在争辩中。可是不管怎样，只需一个缺少暗物质的星系坐落高密度的环境中，当时的星系构成模型是能够解说它的宿世此生的。
更大的疑团：失常星系也在孤立环境里
假如说NGC1052-DF2处于密度较高的星系群中，能够用大星系的潮汐效应来解说，那么一个斗胆且风趣的问题是：有没有处于低密度区域的缺少暗物质的星系？由国家地理台的科学家郭琦领衔的研讨团队答复了这样的一个问题，他们新发现的19个独特星系带来了更大的疑团和应战。
坐落波多黎各的Arecibo望远镜是一台闻名遐迩的射电望远镜。它从前出现在依据Carl Sagan的科幻小说《Contact》改编的同名好莱坞电影中；在群众媒体里，它也常常跟找寻地外生命联络在一起；1974年，仍是在读博士生的Russell Hulse 和他的导师Joseph Taylor正是利用它初次发现了脉冲双星（PSR1913+16），给出了引力波存在的直接依据，并因而取得1993年的诺贝尔物理学奖。2005年，Arecibo望远镜开端了一项为期6年的方案，观测超越三万个河外星系的中性氢气体的射电信号，以研讨这些富含气体的星系的性质以及它们是怎样构成的。这个巡天观测项目被称为Arecibo Legacy Fast ALFA Survey，缩写ALFALFA恰巧是植物紫苜蓿的英文名称。
出于观测的手法，ALFALFA的星系大多都富含气体，而且坐落星系密度较低的当地。ALFALFA的射电波段的数据，能够告知咱们这些星系的气体质量。可是为了知道这些星系的另一部分重子的质量——恒星的质量，咱们还需要知道这些星系在可见光波段的信息。国家地理台的科学家们从ALFALFA的星系跟另一个可见光波段的星系巡天项目——Sloan Digital Sky Survey (SDSS)——的交互比对星表中选取了信噪比足够高而且不是面朝咱们的星系（无法解析动力学），开始挑选得到了324个矮星系样本。
关于这324个星系样本，科学家们从中性氢的射电积分总流量预算它们的气体质量，从恒星的可见光亮度预算了星系的恒星质量，两者之和便是星系的重子质量。中性氢的谱线宽度跟星系在中性氢半径之内的总质量有关，所以借助于ALFALFA的中性氢的谱线宽度，科学家们核算出了每个星系的总质量。他们惊奇地发现，在324个矮星系中，有19个矮星系的重子质量超越总质量的一半！与正常的矮星系不同，这19个矮星系的重子物质反客为主，占有了质量的主导方位。这是一批缺少暗物质的失常矮星系！
图3.324个星系的总质量（纵轴）和重子质量（横轴）的联络。灰色虚线标记了总质量等于两倍重子质量的联络。在虚线之下的蓝色数据点标记了19个缺少暗物质的矮星系。（图片来自：Qi Guo et al.）
图4.新发现的独特矮星系之一——UGC 7920——的真容。（图片来自：DECaLS-DR8, 胡慧杰）
好戏还在后头。当科学家们去寻觅这19个矮星系周围有没有相似NGC1052这样的大星系群时，他们发现有14个矮星系处于特别孤立的区域——它们坐落一切邻近星系群或许星系团的三倍位力半径之外。位力半径一般被用来界说一个星系的半径，三倍位力半径之外的区域一般被以为不会遭到这个星系的潮汐效果的影响（或许形象来说不在这个星系的“势力范围”之内）。
这批新发现的19个缺少暗物质的矮星系跟之前的NGC1052-DF2的最大不同是，新发现的失常星系绝大多数都坐落低密度、孤立的环境，它们简直不会遭到大星系的潮汐效果的影响。那么问题来了，这些星系的暗物质为什么那么少？它们的暗物质究竟是生来便是这么少，仍是从前有许多可是由于某些物理进程丢掉了？这是对当时的星系构成模型的新应战。科学家们暂时还没有好的答案。
了解这些孤立的缺少暗物质的矮星系是怎样构成的，将会促进咱们对星系构成进程的进一步了解。这项新的发现，也再次告知咱们：这个国际最有魅力的当地之一在于，它是如此的广袤无垠，悄悄地在很多咱们意想不到的当地埋藏了各式各样的惊喜和彩蛋。每一个惊喜和彩蛋的发现，都可能会改动人类对这个周遭国际的知道和了解。
作者：廖世鸿、郑征、胡慧杰、郭琦
来历：中国科学院国家地理台
