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Jun. 08 2022

這些古怪星系內的暗物質跑哪去了?

  • 由哈伯太空望遠鏡拍攝的DF2星系影像,這是個距地球7200萬光年遠的獨特星系。天文學家一直對DF2缺乏暗物質的事實感到困惑,而暗物質像是能將星系結合在一起的隱形膠水。SCIENCE: NASA, ESA, STSCI, ZILI SHEN (YALE), PIETER VAN DOKKUM (YALE), SHANY DANIELI (IAS) IMAGE PROCESSING: ALYSSA PAGAN (STSCI)

    由哈伯太空望遠鏡拍攝的DF2星系影像,這是個距地球7200萬光年遠的獨特星系。天文學家一直對DF2缺乏暗物質的事實感到困惑,而暗物質像是能將星系結合在一起的隱形膠水。SCIENCE: NASA, ESA, STSCI, ZILI SHEN (YALE), PIETER VAN DOKKUM (YALE), SHANY DANIELI (IAS) IMAGE PROCESSING: ALYSSA PAGAN (STSCI)

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有一對鬆散的昏暗星系缺乏「暗物質」這種關鍵的宇宙組成,現在天文學家可能利用哈伯太空望遠鏡解開了謎團。

有兩個星系在大約80億年前相撞,像是太空中的一記KO重拳那樣,互相把對方的氣體打了出去。

這兩個昏暗、鬆散的星系裡,似乎完全沒有暗物質(dark matter)存在,這個奧祕從2018年以來就一直讓天文學家們百思不得其解。而現在天文學家有了最新的解釋,最新的觀測顯示,這類星系可能是一連串類似的怪異星系的一部分,而這些天體都是星系相撞產生的殘骸。

在這之前,有關這兩個星系DF2和DF4的詳細研究,已經顯示它們內部存在許多奇怪的明亮星團。但科學家卻難以解釋這些星系是如何得以存在的,因為,據認為,占宇宙組成80%以上的暗物質是星系形成的基本成分。

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由美國耶魯大學彼得.范.多庫姆(Pieter van Dokkum)領軍的團隊,提出一種新的理論,他們認為這場「宇宙車禍」可以解釋這些反常天體,以及殘骸分布的其他特徵。「在碰撞過程中,氣體被剝離和衝擊,變成這種沒有暗物質將其束縛的混亂環境,」范.多庫姆說:「然後,這些龐大不規則氣體團塊的一部分可能會從剩下的氣體雲中分離,自己形成新的小星系。」

范.多庫姆和他的同事所設想的這種情景,可能需要未來進一步的觀測才能證實。但如果這個猜想正確,這確實會是解釋這一連串奇怪星系產生原因的聰明想法。正如最近在《自然》(Nature)期刊上所描述的那樣,這場星系碰撞甚至可能幫助科學家理解暗物質本身的一些基本特性。

「對我而言,這個說法似乎能成立,」范.多庫姆說:「這個解釋非常簡單,也是迄今為止唯一能解釋這麼多特性的理論,從球狀星團、兩個同樣都沒有暗物質的星系,以及我們現在發現的怪異星系排列,全都解釋得通。」

宇宙中看不見的物質

星系的大部分質量通常都來自於暗物質。在1960年代後期,天文學家薇拉.魯賓(Vera Rubin) 做出了類似的推測,她認為一定有某種大質量的不可見物質束縛著仙女座星系(Andromeda Galaxy)邊緣的恆星,不讓它們向外飛散。如果沒有這種「重力膠水」,這些恆星就會消失,其他許多旋轉星系邊緣的恆星也是如此。

自魯賓提出這樣的猜想已有半個世紀之久,天文學家仍然從未直接觀察到暗物質。它不發射也或不反射光,不會直接與普通物質產生交互作用,不過它的重力會影響恆星和星系等可觀測天體的行為。科學家還認為,星系需要暗物質來累積足夠的氣體,從而開始孕育恆星。

但在2018年,范.多庫姆發現了一個名為NGC1052-DF2的星系,簡稱DF2。這個星系似乎極度缺乏暗物質。DF2距離地球約7200萬光年,位在一個大型橢圓星系附近,星系的大部分區域黑暗且瀰散,卻散佈著一連串極度明亮的巨大星團。當范.多庫姆和他的同事計算這個星系的質量時,他們發現DF2最多也只會有一點點的暗物質。

「最初的發現確實令人驚訝,對我們來說也是如此──我們無法解釋這樣的天體,」范.多庫姆說:「所以,我們一邊看著這個我們無法解釋的天體,一邊繼續用它對重要議題發表許多主張,我認為這種情況引起了許多人的注意,但也讓他們抱持著懷疑的態度。」

在那之後,范.多庫姆和他的同事驗證了最初在這個星系中觀測到的許多特徵。「我們很幸運,我們是對的──事情往往不一定會如此順利。」范.多庫姆笑著說。在2019年,他們在同一個星系群中發現了另一個幾乎同樣奇特的DF4星系,也一樣昏暗且瀰散,似乎缺乏暗物質,也奇特地有星團散布。

范.多庫姆表示:「這兩個星系都很獨特,在宇宙中,除了彼此,沒有其他相似的星系」。

另一組天文學家團隊發現了至少有另一個星系的暗物質含量似乎也非常低,不過那個星系的方向讓它比DF2和DF4更難觀測。

但真正的問題是,這些奇怪的星系究竟是如何形成的?

讓宇宙時光倒流

在2019年和2020年,范.多庫姆和他的同事將哈伯太空望遠(Hubble Space Telescope)鏡對準了DF2和DF4。他們發現DF2離得更遠,而且這兩個古怪的星系正在遠離彼此。這表示如果你將這兩個星系的運動按下倒轉鍵,那它們最終會聚集在太空中的同一點:遠古一場可能的高速碰撞點。

當這兩個原始的星系發生碰撞時,它們的暗物質部分繼續前行,就像什麼都沒發生似的照樣在太空中疾馳。但它們所有的氣體最後都變成了一團雜亂、熾熱、高壓的氣堆──正是在這種環境中才能誕生像DF2和DF4星系內中的巨大星團。

對這類碰撞的模擬顯示,最初的氣體堆碎裂成塊並在數十億年中四散,留下了昏暗、鬆散的小星系。當范.多庫姆和他的同事檢查NGC 1052星系的深度影像時,他們發現了有多達11個星系連成一排,其中就包括DF2和DF4。

范.多庫姆表示:「一開始的的觀測結果很令人困惑,然後我們突然恍然大悟。隨後我們做出了一些預測,比如你可以沿著這條軸線發現更多星系,之後我們真的就發現了。」

范.多庫姆說,在這一連串星系兩端的兩個星系,應該會富含最初相撞星系的暗物質,但要驗證這一點會很困難,因為這兩個星系非常昏暗,難以觀測到細節。

解開星空中的線索

雖然關於這可能的一連串星系還有許多疑問,但有些科學家認為,這種理論似乎可以合理地解釋缺乏暗物質的星系是如何形成和成長的。

「這個說法之所以吸引人有幾個原因,」在德州大學奧斯汀分校研究暗物質和星系形成的麥可.博伊蘭-科爾欽(Mike Boylan-Kolchin)說:「最大的原因是它同時解釋了這種系統的多個面向。」

博伊蘭-科爾欽補充說,如果這種理論正確,將能幫助天文學家更深入理解暗物質的「粘性」──它是否像是不會與普通物質發生反應那樣,不會彼此產生交互作用,或是存在一定程度的自我交互作用。他還說,星系碰撞理論有個特別棒的結果,是它解釋了DF2和DF4中的奇特星團。

「這些系統中的一個大難題,是它們似乎擁有這些非常大質量的星團,為什麼會這樣呢?」博伊蘭-科爾欽說:「這種星系與星系之間的碰撞機制,確實能產生一系列更大質量的星團。」

然而,其他天文學家並不那麼相信。

在薩里大學研究星系形成的米歇爾.柯林斯(Michelle Collins)說:「在某種程度上,這一切都是巨大謎團的開端。」她說此時這種想法想還僅止於猜測,我們不知道最初的星系是否包含足夠的物質,能夠產生范.多庫姆團隊所觀測到的結果。

確認假想碎片軌跡上的11個星系距離也很關鍵,因為這能夠驗證它們究竟是屬於同一個系統,或只是恰巧排列成看起來像是一連串的樣子──就像是與地球距離相當不同的一些恆星,在星座中看起來非常接近一樣。

「根本沒有足夠的觀測數據,來排除這些星系不是像我們所看到的星座那樣。」她說:「我們很容易將事物的意義歸因於模式。」

還需更多的時日才能驗證這樣的碰撞理論,但范.多庫姆認為這個理論擁有可驗證的預測。像是他就熱衷研究DF4中的星團,並將它們的年齡與DF2中星團的年齡進行比較。如果這兩群星團的年齡相仿,就可能強烈暗示這兩個星系有著相同的起源。

他還將把哈伯望遠鏡瞄準碎片軌跡上的其他可疑星系,觀測它們是否擁有同樣奇特的星團,並測量它們的運動和距離,以確定它們是否真的屬於同一個結構。

如果他和團隊夠幸運的話,他們甚至可以仔細觀察軌跡兩端的兩個昏暗星系,並試圖弄清它們是否就是最初星系中留下富含暗物質的殘骸。但這個研究計畫可能需要下一代的地面望遠鏡,或是美國航太總署(NASA)的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)來幫忙完成。

「那將會太棒了,」范.多庫姆說:「測量這些星系,將是解開這個系統謎團的最重要關鍵。」

 

延伸閱讀:多重宇宙是什麼?是否有多重宇宙存在的證據? / 宇宙正在以超乎我們預期的速度膨脹

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