反常的星系：它们的暗物质去哪儿了？
来源：中国科学院国家天文台
最近，来自中国科学院国家天文台的郭琦研究员领衔的研究团队发现了一批反常的天体——19个缺乏暗物质的矮星系。之前人们熟知的矮星系都含有大量的暗物质，但这批新发现的矮星系可能会改变我们对“星系是如何形成的”这一问题的认识。这项研究成果于北京时间11月26日凌晨发表于《自然·天文》（Nature Astronomy）杂志。
暗物质：星系的摇篮和家园
在宇宙学家的眼中，我们日常所“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。因为它们在质量上绝大部分是由重子（比如说我们熟悉的质子、中子）组成的。重子物质有一个很重要的特点，就是它能发生电磁相互作用，换句话说，它可以发光或者反射光。这里说的“光”除了我们肉眼可见的光，也包括其他波段的电磁波。正因如此，重子物质是我们“见”得最多的物质。
虽然重子物质是我们见得最多的物质，但是近年的天文观测（比如星系的旋转曲线、引力透镜、宇宙微波背景辐射等等）发现，它们的总量大约只是宇宙中所有物质的五分之一（按照Planck卫星的最新观测结果，这个比例是15.7%）。剩下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，所以我们没法看到它们。正是因为这个特点，这些新奇的物质被叫做暗物质。
在宇宙过去一百三十多亿年的峥嵘岁月里，暗物质扮演了十分重要的角色。由于在物质的质量比例上占据主导地位，暗物质决定了宇宙物质在大尺度上的分布——宇宙大尺度结构。现代超级计算机模拟更是向我们揭示，宇宙中暗物质的空间分布可以再现观测到的星系分布，暗示了星系和暗物质之间千丝万缕的关系。
我们从小就知道，我们生活在一个名字充满诗意的星系——“银河系”里。现代天文观测告诉我们，银河系只是宇宙中千千万万个星系的其中一员。这些星系是怎样形成的？它们的形成有没有普遍的规律？现代宇宙学和天文学里最波澜壮阔的篇章之一，就是建立了一个以暗物质为基础的、关于“星系是如何形成”的模型。因为星系又是观测宇宙的主要载体，在过去几十年间，通过研究它们的性质和形成，大大促进了人类对宇宙大尺度结构和宇宙本身的理解。今年的诺贝尔奖物理学奖的一半就是表彰美国科学家James Peebles在相关方面的卓越贡献。
按照当前的星系形成模型，在质量上占据主导位置的暗物质在自身引力的作用下，先形成了很多密度很高、接近球形的暗物质团——天文学家把它们唤作“暗物质晕”；之后，一开始以气体形式存在的重子物质，在暗物质晕的引力作用下，掉入暗物质晕中。重子气体在暗物质晕中经过了一系列复杂的物理过程，比如说辐射冷却、形成恒星、恒星在演化末期发生超新星爆发等等，最后形成了姿态万千、绚丽多彩的发光星系。我们的银河系就是其中最美丽的星系之一。
正是因为形成发光星系的重子物理过程都发生在暗物质晕中，暗物质晕也被形象地认为是发光星系“生于斯长于斯”的摇篮和家园。我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，随着太阳围绕着银河系中心旋转，我们的太阳系也穿行在暗物质之间。我们所认识的每一个人、所听说的每一段故事，都在这个我们眼睛看不见的暗物质晕家园中。正因如此，现在天文学家口中的“星系”，一般包括可见的发光部分以及不可见的暗物质晕。星系的重子物质主要由恒星和气体组成。
根据暗物质晕的质量大小，天文学家们给星系起了不同的名字——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很多的矮星系。宇宙中还存在由很多星系组成的“大家伙”——“星系群”和“星系团”。
星系群通常由几个到几十个星系组成。比如说，我们的银河系和邻居仙女座星系以及周边的矮星系组成了本星系群。而星系团更是宇宙中的“巨无霸”——它们通常是由成百上千个星系组成。星系团的暗物质晕具有十分强大的引力，可以捕获足够多的重子物质，因此星系团的重子质量占比大约跟宇宙的平均重子占比接近（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爆发时吹散出去的重子气体。因此矮星系通常由暗物质主导，重子物质所占的比例远小于五分之一。
很多天文学家在模拟宇宙结构形成的数值计算中，只用暗物质而不考虑重子物质。而他们得到的数值模拟结果与重子物质所表现出来的宇宙结构竟也极其相似（如图2）。
图2。左图是Sloan Digital Sky Survey观测到的我们邻近约二十亿光年范围内的星系分布，图中每个点表示一个星系。右图是名为ELUCID的超级计算机模拟显示的暗物质在相同空间范围内的密度分布。从黄色、白色、蓝色到黑色，显示了从高到低的暗物质密度。（图片来源：王慧元；Wang et al。 2016， ApJ， 831， 164）
异象初现：星系群里的反常星系
去年，来自耶鲁大学的天文学家Pieter van Dokkum领衔的研究团队在NGC1052星系群里观测到一个奇怪的矮星系——NGC1052-DF2。他们通过测量这个星系里的球状星团的运动，推算出星系的总质量（包括暗物质的质量和重子物质的质量），发现这个总质量几乎等于由星系的光度估算出来的恒星质量（即重子物质，因为这个星系几乎没有气体）。换句话说，这个星系一反常态，缺乏大量的暗物质！
为什么它没有暗物质晕家园？NGC1052-DF2星系甫一登场亮相，就引起了科学家们的广泛兴趣，他们尝试给出了多个不同的解释。其中一种自然的解释是，这个星系生活在密度较高的NGC1052星系群中，如果它曾经运动到靠近星系群中心的地方，那么它的物质就会被星系群强大的潮汐力剥离掉。因为暗物质的分布相对松散，尤其容易被剥走。相比之下，星系中心的恒星分布更加致密，因而得以幸存下来。这样的潮汐剥离解释得到了超级计算机模拟的结果的支持。因此，在密度高、相互作用复杂的环境里，小星系可能会因为大星系的潮汐作用，被迫失去家园，颠沛流离。
值得一提的是，由于NGC1052-DF2到我们的距离的估算还有争议，关于它是不是缺乏暗物质的星系，目前科学家们还在争论中。但是不管怎样，只要一个缺乏暗物质的星系位于高密度的环境中，当前的星系形成模型是能够解释它的前世今生的。
更大的疑团：反常星系也在孤立环境里
如果说NGC1052-DF2处于密度较高的星系群中，可以用大星系的潮汐效应来解释，那么一个大胆且有趣的问题是：有没有处于低密度区域的缺乏暗物质的星系？由国家天文台的科学家郭琦领衔的研究团队回答了这个问题，他们新发现的19个奇特星系带来了更大的疑团和挑战。
位于波多黎各的Arecibo望远镜是一台闻名遐迩的射电望远镜。它曾经出现在根据Carl Sagan的科幻小说《Contact》改编的同名好莱坞电影中；在大众媒体里，它也常常跟找寻地外生命联系在一起；1974年，还是在读博士生的Russell Hulse 和他的导师Joseph Taylor正是利用它首次发现了脉冲双星（PSR1913+16），给出了引力波存在的间接证据，并因此获得1993年的诺贝尔物理学奖。2005年，Arecibo望远镜开始了一项为期6年的计划，观测超过三万个河外星系的中性氢气体的射电信号，以研究这些富含气体的星系的性质以及它们是怎么形成的。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。
出于观测的手段，ALFALFA的星系大多都富含气体，并且位于星系密度较低的地方。ALFALFA的射电波段的数据，可以告诉我们这些星系的气体质量。但是为了知道这些星系的另一部分重子的质量——恒星的质量，我们还需要知道这些星系在可见光波段的信息。国家天文台的科学家们从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并且不是面朝我们的星系（无法解析动力学），初步筛选得到了324个矮星系样本。
对于这324个星系样本，科学家们从中性氢的射电积分总流量估算它们的气体质量，从恒星的可见光亮度估算了星系的恒星质量，两者之和就是星系的重子质量。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，于是借助于ALFALFA的中性氢的谱线宽度，科学家们计算出了每个星系的总质量。他们惊讶地发现，在324个矮星系中，有19个矮星系的重子质量超过总质量的一半！与正常的矮星系不同，这19个矮星系的重子物质反客为主，占据了质量的主导位置。这是一批缺乏暗物质的反常矮星系！
图3。324个星系的总质量（纵轴）和重子质量（横轴）的关系。灰色虚线标记了总质量等于两倍重子质量的关系。在虚线之下的蓝色数据点标记了19个缺乏暗物质的矮星系。（图片来源：Qi Guo et al。）
好戏还在后头。当科学家们去寻找这19个矮星系旁边有没有类似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——它们位于所有附近星系群或者星系团的三倍位力半径之外。位力半径通常被用来定义一个星系的半径，三倍位力半径之外的区域通常被认为不会受到这个星系的潮汐作用的影响（或者形象来说不在这个星系的“势力范围”之内）。
这批新发现的19个缺乏暗物质的矮星系跟之前的NGC1052-DF2的最大不同是，新发现的反常星系绝大多数都位于低密度、孤立的环境，它们几乎不会受到大星系的潮汐作用的影响。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就是这么少，还是曾经有很多但是因为某些物理过程丢失了？这是对当前的星系形成模型的新挑战。科学家们暂时还没有好的答案。
明白这些孤立的缺乏暗物质的矮星系是怎么形成的，将会促进我们对星系形成过程的进一步理解。这项新的发现，也再次告诉我们：这个宇宙最有魅力的地方之一在于，它是如此的广袤无垠，悄悄地在好多我们意想不到的地方埋藏了各种各样的惊喜和彩蛋。每一个惊喜和彩蛋的发现，都可能会改变人类对这个周遭世界的认识和理解。
