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我國科學家發現“另類”矮星系 挑戰經典矮星形成理論



11月26日凌晨,國際科學期刊《自然·天文》(Nature Astronomy)在線發布我國天文學家的一項重要發現:他們發現在近鄰宇宙有一類特殊的矮星系,在其幾萬光年的半徑內,都主要由重子物質構成,暗物質只佔其中一小部分。

這與目前在標準宇宙學模型下的矮星系形成理論預言相違背,從而對冷暗物質的本質提出質疑,對經典的矮星系形成理論提出挑戰。該工作以中國科學院國家天文台科研團隊為首,聯合北京大學和清華大學的科研團隊共同完成。

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圖1: 暗物質主導了結構形成, 星系在由暗物質主導的暗暈中形成和演化。圖示為超級計算機模擬的結構形成,邊長大概2億光年。從黑色、綠色、黃色、粉色到白色顯示了密度從低到高的變化,暗暈對應於白色的高密度區域。

在以暗能量和冷暗物質主導的標準宇宙學模型下,星系在暗物質暈中形成和演化。在大質量的系統中,重子比例可達到宇宙的平均值,這一比例隨著暗暈質量的減小迅速降低。由於低質量系統束縛重子的能力比較弱,在矮星系系統中,通常認為其重子物質含量相對於暗物質是非常少的,這也在我們銀河系和本星系群的衛星星系中得到證實。不同於大的星系,在這些衛星星系中,即使在半光半徑之內,都是暗物質主導的。遺憾的是,由於矮星系的光度非常暗,目前關於矮星系中的動力學研究只能局限在非常近鄰的宇宙中,大部分在本星系群內或者本星系群周圍。

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圖2:新發現的奇特矮星系之一—— UGC7920。圖片來源:DECaLS-DR8

以中國科學院國家天文台郭琦研究員為首的科研團隊,結合斯隆數字化光學巡天和Arecibo的中性氫巡天結果,首次對本星系群外的矮星系的動力學展開統計研究。他們發現了一類特殊的矮星系,不同於以往的觀測數據和數值模擬的預言結果,這些矮星系在HI覆蓋的區域都是由重子物質主導的。中性氫覆蓋區域通常在幾萬光年,在典型的矮星系系統中, 該區域的暗物質質量是重子物質質量的十到幾百倍。特別地,他們發現的這類矮星系大部分是孤立系統,並不會受到外界環境的影響。目前,在標準宇宙學模型下,沒有任何理論或者數值模擬能夠解釋這類星系的形成。

這一發現對標準宇宙學模型,以及該模型下的星系形成理論提出了重大質疑,促使人們重新審視暗物質的本質——溫暗物質或者Fuzzy暗物質模型將更易於解釋此類矮星系的形成。另一方面, 極端條件下的重子過程也提供了可能的一種解釋。回答這些問題將需要進一步借​​助更先進的望遠鏡。