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奇异轻星系或揭示暗物质的新模型



学界的一个普遍共识是,迄今发现的的星系中,大部分质量都由看不见、摸不到的暗物质组成。但是最近几年,天文学家发现了两个令人颇为费解的例外 —— 其暗物质含量几可忽略不计。不过加州大学河滨分校(UCR)的一支研究团队,已经对这种谜题给出了一个解释 —— 其正在被附近一个更大的星系所剥离。

奇异轻星系或揭示暗物质的新模型 1

哈勃拍摄的 NGC1052-DF2 星系快照(来自:NASA / ESA / Pieter van Dokkum)

宇宙包含大量不可见物质的设想,最早可追溯到 1930 年代。当时的天文学家发现,遥远星系的运动速度,较其可见质量要快得多。这意味着背后有比他们所能看到的大得多的幕后质量,也就是所谓的“暗物质”。

在那以后的几十年里,天文学不断通过观测来证明暗物质的存在。尽管暗物质本体仍难以被找到,但支撑该设想的一些最有力证据,反而就在于这种似存非存的神秘性。

2018 年的时候,天文学家公布了一项令人惊讶的发现 —— 一个几乎不存在暗物质的 NGC 1052-DF2(简称 DF2)矮星系。其可见物质的占比之高,或可由其相对缓慢的运动速度来解释。然后第二年的时候,天文学家又发现了另一个类似的轻星系,它就是 NGC 1052-DF4(简称 DF4)。

这些“例外”为暗物质理论提供有力的支撑,毕竟此前反对者一直怀疑其源于错误的模型计算。若真如此,反对者又难以解释为何这套理论几乎适用于所有星系。

现在,来自加州大学河滨分校(UCR)的一项新研究,就深入调查了这些星系中的暗物质可能消失于何处。据悉,DF2 和 DF4 都属于卫星星系,其绕着更大的 NGC 1052 而运转。天文学家认为,大星系的潮汐力,正在质量从轻星系中抽离。

首席研究员于海波表示:“人们普遍认为,暗物质在银河系的整体质量中占主导地位。但针对 DF2 和 DF4 的观测表明,它们的暗物质与恒星质量之比近乎为 1,只有预期的 1/300 。为解释这一巨大的差异,我们认为 DF2 和 DF4 可能正在受到 NGC 1052 大星系的潮汐力作用,使之剥离了大部分的质量”。

通过两种建议的暗物质类型来模拟三个星系之间的相互作用,似乎可对这种过程的机理给出较为靠谱的解释。不过在业内超前的一些研究中,仍引入了一些有趣的观点。

比如某些模型表明暗物质处于“冷态”,例子移动缓慢且彼此间的相互作用不大。然而近期的理论表明,可能有一种新的“暗能量”将它们强烈地相互维系到了一起。这两种观点都解释了宇宙的大尺度结构,但对银河系中心的暗物质具有不同的含义。

通过用两种类型的暗物质对矮星系进行建模,研究人员发现潮汐剥离在两种情况下都可以起作用。对于自相互作用的暗物质而言,这样也可能更易理解。猜测这种相互作用把更多的暗物质粒子从星系中心推到外部区域,使之能够更轻松地被剥离。

于海波补充道:“即使经历了潮汐演化,典型的冷暗物质光晕,在内部区域仍然显得过于庞大”。

即便如此,还是有其它研究给出了不同的结论,比如认为 DF2 根本不缺少暗物质,并将差异全部归因于星系距离的错误计算。

但无论怎样,新研究还是让我们对奇异的 NGC 1052 星系系统有了更加深入的了解。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

原标题为《Self-Interacting Dark Matter and the Origin of Ultradiffuse Galaxies NGC1052-DF2 and -DF4》。