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哈勃发现暗星系挑战修正引力理论

天文online

03-16 22:29 来自北京

暗星系观测对修正引力理论的影响

哈勃望远镜新发现的暗星系是否否定了修正引力理论？

CDG2星系的发现——其暗物质占比超过99。9％——可能揭示一类全新的极暗弱星系。但这一发现是否真实？

低表面亮度星系CDG2在NASAESA哈勃太空望远镜拍摄的这张图像中几乎不可见，其主体成分为暗物质，仅稀疏分布着少量恒星。该星系近乎隐形，但科学家借助先进的统计方法，并结合欧几里得空间望远镜的数据，获得了有力证据，支持存在一个几乎完全由暗物质构成的星系：它可能是迄今所发现的暗物质占比最高的星系。图片来源：NASA、ESA、D。Li多伦多大学、J。DePasquale太空望远镜科学研究所

一个引人注目的新星系——候选暗星系2（CDG2）——通过包括哈勃望远镜在内的多种望远镜，凭借其四个卫星球状星团被发现。若得到确认，它将成为迄今发现的最暗弱的此类星系，也是已知暗物质占比最高的星系，其质量中超过99。9％为暗物质。然而，以往其他候选暗星系在更深入的后续成像观测中未能得到证实，CDG2也可能只是幻影。若它确实存在，或将为暗物质的存在提供有力证据，但目前尚不能下此定论。

我们宇宙中最令人费解的现象之一，是似乎需要一种全新形式的质量——它并非由我们目前已知的任何基本粒子构成，而是一种新颖且迄今尚未被直接探测到的物质。为了解释从宇宙微波背景辐射到单个星系、星系团乃至宏大宇宙网等各级尺度上的宇宙结构，暗物质不仅必须存在，还必须占据宇宙总物质量的主导地位。

然而，这引发了一些难题。如果暗物质确实存在，且在宇宙的物质组成中占据主导地位，那么理论上应当存在大量卫星星系——这些是质量较小、恒星数量稀少但主要由暗物质构成的天体，广泛分布在星系际空间中。当这些星系利用其普通物质形成恒星时，由于其总质量较低，其中的大部分气体应被驱散，最终仅留下少量恒星，嵌入在相对大得多的暗物质晕中。

这些近乎黑暗的星系此前曾被观测到，但后续观测并未发现任何引人注目的现象。直到最近发现了CDG2（候选暗星系2）。以下是该天体目前已知的情况，以及它对暗物质存在与否这一科学问题所具有的意义。

在矮星系Segue1和Segue3中，总共仅存在约1000颗恒星，总质量约为175倍太阳质量；其中Segue3的引力质量却高达约60万倍太阳质量。图中圈出的恒星即为矮卫星星系Segue1的成员星。随着我们不断发现更小、更暗、恒星数量更少的星系，人们逐渐认识到这类微小星系其实非常普遍，且其暗物质与重子物质的质量比可达到极高的水平；此类星系的数量可能多达银河系这类大星系的上百倍，其中暗物质质量往往超过重子物质质量数百倍甚至更多。图片来源：MarlaGeha凯克天文台

故事始于炽热大爆炸的最初时刻，通常对应于宇宙密度扰动约为平均密度的0。003％的水平。尽管这些扰动看似微不足道，但引力作用会使高密度区域随时间不断增长并吸引周围物质，而低密度区域则相应地将物质输送到邻近更致密的区域。在最小尺度上，结构会被抹平；而在较大尺度上，结构的形成则需要更长时间，因为尺度越大，加之引力效应传播速度有限，导致坍缩所需的时间也越长。

然而，应当存在一个最佳尺度：初始密度扰动足够大，得以在早期原始等离子体的热化过程中幸存下来；同时又足够小，使其能够在其他结构开始坍缩之前率先发生引力坍缩。这一尺度对应的总质量约为10万倍太阳质量（或可能达数十万倍太阳质量），尚不足现代银河系质量的百万分之一。近年来，我们才得以发现这些微小而暗弱的星系，它们既存在于本星系群内（上图所示），也分布于遥远宇宙中（下图所示）。要揭示它们，需要结合深度成像观测，并确认所认为属于这些天体的发光源确实彼此空间共置。

这颗被称为Nube的近乎黑暗星系，是一颗在众多星系聚集区域内发现的极端弥散星系。天文学家认为，这种超弥散星系内部恒星数量稀少，却包裹着大质量的中性氢气体，其特殊性质很可能源于其所处的环境因素。它拥有大量中性氢却仅有极少恒星，因而成为传统星系分类中一个引人注目的特例。自其最近一次主要恒星形成活动结束以来，已过去数十亿年，其过往的恒星形成历史几乎完全被抹去。

几乎所有的星系周围都环绕着主要由古老恒星构成的球状星团。从近处看，球状星团呈现出巨大而致密的恒星集合体：其中包含数千至数十万颗甚至更多的恒星，全部集中在直径仅数十余光年的中心区域内。然而，若观察球状星团的空间分布，便会发现它们最常出现在星系周围，尤其是大质量星系周围。例如，银河系的晕中约有150个球状星团；而像室女座星系团中心的巨椭圆星系M87这类大质量椭圆星系，其球状星团数量可能超过10000个。相比之下，孤立存在的球状星团通常仅见于星系团内部，它们很可能是因星系间的引力相互作用而从原有宿主星系中剥离出来的。

我们从结构形成理论以及对邻近球状星团的观测可知，它们必定形成于宇宙早期，其中绝大多数球状星团（及其内部恒星）形成于宇宙历史的最初约10亿至20亿年间。同时我们也知道，银河系内的球状星团是通过不同时期小质量伴星系与银河系发生并合与吸积而逐渐被纳入银河系的。例如，目前银河系周围所拥有的球状星团数量之所以如此众多，正是源于其在漫长演化过程中不断吸积和并合多个较小星系的结果。

基于对银河系并合历史的重建，展示了每次并合事件为本星系群所贡献的恒星质量以及源自该次并合的球状星团数量。然而，这一重建存在显著的不确定性，如各次并合事件所对应的曲线所示。例如，最新一项利用亚巨星而非球状星团开展的研究，提示盖亚恩克拉多斯并合事件的发生时间可能早于克雷肯并合事件。图片来源：J。M。迪德里克克鲁伊森等，《皇家天文学会月刊》，2020年

正是基于这一思路，一种搜寻这类小型、暗弱、低质量且几乎完全由暗物质主导的星系的新方法应运而生。其基本设想是：宇宙中很可能仍存在大量曾与银河系发生并合的同类星系，尽管此类并合事件发生在遥远的过去；这些星系可能拥有若干球状星团，但其中心区域几乎不含恒星，主要由近乎100％的暗物质所维系；仅在星系中心存在一个微弱而稀疏的恒星群体，而该群体可通过探测若干彼此束缚的球状星团加以识别。

这正是搜寻最终发现这一新的暗星系候选体的动机——目前已知最暗、或者说暗物质占比最高的天体。

这是一张对比图，展示了星系NGC1277和NGC1278中主导globularclusters（球状星团）的红色星团与蓝色星团的空间分布。图像表明，NGC1277主要由古老的红色球状星团构成，而NGC1278则含有大量蓝色球状星团。这一差异表明，NGC1277的恒星形成活动早在数十亿年前便已基本停止，而NGC1278则仍保有较活跃的恒星形成过程，拥有更多年轻的蓝色星团。尽管一些巨型椭圆星系可能拥有超过一万个球状星团，银河系约有150个，而某些小型星系仅拥有寥寥数个。来源：美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）及太空望远镜科学研究所（STScI）Z。Levay

过去，最暗弱星系的故事主要集中在星系光度与质量谱系的极端暗弱、低质量端。人们设想，这类星系起源于一个微小的物质团块：其暗物质与重子物质的质量比约为51，这与宇宙大尺度结构的平均比例一致。由于重子物质与其他重子物质粒子之间可发生非弹性碰撞，因而能够辐射能量、冷却并发生引力坍缩；当重子物质坍缩到足够致密的程度时，恒星便开始形成。这些恒星随后产生星风并发出紫外辐射，使周围尚未形成恒星的重子物质电离，并将其吹散至星系外部。通过这一过程，星系中的重子物质被大量耗尽，而暗物质则全部保留在其中。

这解释了为何在观测大质量星系以及更大尺度的结构（如星系群、星系团、宇宙纤维状结构和巨墙等）时，我们通常观测到原始的暗物质与普通物质约51的质量比——仿佛普通物质早已被驱离，而仅存的已形成恒星仍嵌于一个相对巨大的暗物质晕中。

许多邻近星系，包括本星系群内的所有星系（大多集中在图示最左侧区域），其质量与速度弥散度之间存在某种关系，表明其中普遍存在暗物质。总体而言，星系质量越低，其暗物质与普通物质的质量比通常越高。NGC1052DF2是首个被发现似乎几乎完全由普通物质构成的星系，随后在2019年又发现了类似性质的星系DF4。相比之下，像赛格1（Segue1）这样的星系则富含暗物质；目前已知星系在性质上具有高度多样性，而缺乏暗物质的星系仍属罕见且尚未被充分理解，其真实性质也持续引发天文学界的讨论与研究。

那么问题就变成了：如果这一图像正确，那么最暗弱、暗物质主导程度最高的星系会呈现怎样的形态？它们具有哪些性质？并且，由于天文学是一门以观测为基础的科学，我们能否发现这类星系？若能，又该通过何种方式探测？

正如本研究的第一作者李大一博士向《科学》杂志所介绍的：可能存在一类星系，其亮度极低，中心区域几乎不包含恒星，仅由球状星团构成；该星系的其余质量或物质成分则几乎全部为暗物质。

其思路如下。

随着这些低质量初始密度扰动的增长，首批恒星形成事件催生出若干球状星团。这些球状星团内部的重子物质被驱散，从其周围包裹的暗物质晕中抛射出去。随后，至少两个、也可能更多个此类球状星团，因处于同一个更大的暗物质晕内，彼此间发生引力束缚而聚集在一起。在恒星辐射、恒星爆发事件以及动力学弛豫等多种因素共同作用下，残余的重子物质进一步被抛射出去，最终导致星系主体区域仅存极少量恒星，甚至可能完全不存留恒星。

当一切尘埃落定，这将形成一个近乎完全黑暗的星系：富含大量暗物质，仅有少量球状星团，星系中心几乎不存在典型的主星系恒星。

在英仙座星系团中，四个疑似球状星团的天体（见左上图）聚集于一个空间范围极小的区域内。然而，在这些星团的中心位置及其周围区域，既未观测到任何星系，也未发现其他恒星存在的迹象，即便利用哈勃太空望远镜进行了深度成像观测亦是如此。正因如此，该系统曾被提出作为候选暗星系——CDG1。

因此，寻找此类天体的方法是：在空间中一小片区域内，搜寻数量极少、但通过引力相互束缚的球状星团集合，其核心位置要么完全没有星系，要么仅存在一个极其暗弱的星系天体。一支研究团队正是依据这一思路展开工作，并于近期公布了一个暗星系候选体，命名为候选暗星系1（CDG1）。（该论文所附图像如上所示。）然而，后续开展的档案数据检索、哈勃空间望远镜的跟进观测，以及欧几里得空间望远镜的深度成像，均未探测到任何弥散光成分——而若其中存在连接这些星团的暗弱星系，则理应观测到此类弥散光。截至目前，仍未发现与CDG1相关的任何恒星结构证据。

然而，同一研究团队采用非常相似的技术，并在相同天区（即英仙座附近）开展观测，随后又发现了第二组四个球状星团，它们同样聚集在天空中一个极小的区域内。如下方图示所示，该天区内确实存在大量球状星团：其中红色标记代表DOLPHOT星表所确认的球状星团，蓝色标记则代表DAOPHOT星表所确认的球状星团。当这两套高分辨率、深度观测数据叠加（见图中重叠区域）后，该星团群组的证据变得十分清晰——在天空中一个极小的区域内，明显存在四个球状星团彼此靠近分布。

一个候选的暗星系最初是通过四个球状星团的关联发现的，这些星团都紧密地聚集在空间中的一个小区域内，这与一个主要由暗物质主导的星系的概念相符。然而，该候选天体需要后续观测，并需识别出可能与主星系体相关的微弱、弥散的辐射。

这本身就很了不起。要找到那些表面亮度最低、最暗弱的星系——它们的暗物质与重子物质含量之间可能存在最大的差异——本身就极为困难，因此我们很难确定望远镜该对准何处。然而，这仅使它们成为候选暗星系，其中这个新发现的星系被命名为CDG2。若要将其正式确认为星系，并准确获知其各项物理性质，还需获得另外两项关键观测证据。

人们希望获得这些球状星团的详细光谱测量数据。

它们是否具有相同的红移？它们确实是球状星团，而非其他类型的类似天体？它们之间的相对速度是多少？能否确认它们在三维空间中的位置，以确保它们并非仅仅位于同一条视线方向上？

该数据目前尚不存在，需要通过专门开展的一组独立观测来获取。

然而，你希望获得的第二样东西，便是无论多么微弱和弥散的证据，用以证明存在一个恒星主体，从而能直接揭示该星系（如果它确实存在）的本体。毕竟，我们此前已发现过表面亮度极低的超弥散星系；这只需要利用最先进的望远镜进行长时间曝光即可。

DF2星系是一个超弥散星系，其表面亮度是目前已知星系中最低的之一。当我们观测星系内部的恒星时，恒星密度可以从超弥散到超致密不等，这取决于恒星在其中的分布方式。像DF2和DF4这样的星系属于超弥散星系，需要深度成像和精确的校准才能被探测到。在没有空间望远镜数据的情况下，可以结合来自专门化或多台地面望远镜的数据，揭示单个望远镜无法单独呈现的天体附近微弱结构。

然而，这个新的星系候选体CDG2具有一项其他迄今已识别的暗星系候选体所不具备的优势：在多项指标上堪称迄今最丰富的天文数据来源。

当欧几里得数据与现有其他观测数据（包括哈勃望远镜关于球状星团的数据）相结合时，我们发现了一个令人惊叹的现象：在四个球状星团候选体的确切位置上，存在一片弥散的恒星光分布。研究人员并未仅依赖统计论证来支持这一结论，而是特意将一个模拟的超弥散星系注入原始数据中，并检验其分析软件能否成功探测到该信号。结果表明，模拟星系的探测信号强度与CDG2的实测信号强度相当，即使在完全遮蔽这四个球状星团的位置后，该信号依然清晰可辨。

尽管人们可能需要眯起眼睛、屏住呼吸，才能在哈勃望远镜拍摄的候选暗星系CDG2图像（甚至经过叠加处理的哈勃图像）中勉强辨认出微弱弥散的恒星光信号，但欧几里得空间望远镜的数据则要清晰得多。目视检查即可明确识别出与此前发现的四个球状星团位置精确对应的弥散恒星光，更严谨的统计分析也证实了该信号的存在，其性质与典型的超弥散星系一致。

这当然极其有趣，但对这一天体开展的科学研究才刚刚开始，它最终可能被证实为迄今发现的暗物质占比最高的星系。首先，我们需要确认这些球状星团确实处于相同的距离上，而非仅仅是偶然沿同一视线方向排列、彼此无关的独立天体（例如疏散星团布罗奇星团那样的星群）。这需要开展深度光谱观测，而获取此类数据颇具挑战性。其次，我们需要更高品质的宿主星系成像，以测定其速度弥散度及其他相关参数。第三，我们需要测定其中恒星群体的年龄，从而确认该星系中已无气体残留，且不存在近期或正在进行的恒星形成活动。

但如果观测证实了所有这些现象，且它们均与暗物质假设所推导出的预测相符，那么在无暗物质的理论框架下解释这一天体的存在将变得极为困难。矮星系存在多个子群体，其中一部分遵循重子态塔利费舍尔关系，而另一部分则遵循完全不同的关系；这种现象可在暗物质含量因星系而异的前提下得到合理解释，但无法通过单一、普适的引力定律修正方案予以说明。

如果两类天体均已被确认，而CDG2将成为迄今发现的暗物质丰度最高的矮星系极端范例，那么这确实将对修正引力理论构成根本性挑战。诚然，获取这些关键观测数据在技术上颇具挑战性，但鉴于其关乎我们对宇宙物质组成的基本认知，当现有技术已具备实施条件时，放弃开展此类观测实难令人信服。

科学与技术、天体物理学、天文学、宇宙学、暗物质