星系不仅仅是发光的恒星聚集体。对于现代天体物理学家来说，星系更引人注目的是其黑暗面：其隐藏物质只能通过其对闪亮物质的引力来“看到”，而且似乎远远超过闪亮物质的重量。所谓的暗物质与恒星和气体一样，是星系的定义特征，被认为是星系组装和生长的引力种子。
一个没有暗物质的星系——或者没有某种能够模拟暗物质行为的奇异引力效应——确实是一件非常奇怪的事情。 找到这样的东西就像发现有烟但没有火，有果但无因。然而，这正是耶鲁大学天文学家 Pieter van Dokkum 和他的同事们刚刚发现的，他们在 3 月份发表在《自然》杂志上的一项研究中报告了这一发现。
这个名为 NGC 1052-DF2 的星系距离我们约 6500 万光年。它几乎与银河系一样大，但属于“超弥散”星系，这意味着它仅包含我们星系中恒星数量的极小一部分——在本例中仅为 1%。恒星的稀疏意味着它看起来不太像典型的旋涡星系，而更像是由星点气体和尘埃组成的松散连接的幽灵状斑点。如果它包含的暗物质数量与同等大小的星系典型暗物质数量相当，那么暗物质的引力将加速围绕它的几个星团的运动。相反，van Dokkum 的团队发现这些星团围绕 NGC 1052-DF2 缓慢移动，这表明该星系内可能几乎没有或根本没有暗物质。这表明暗物质不仅可以与普通的可见物质分离，还可以与整个星系分离——这是天文学家迄今为止从未见过的现象。
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阿姆斯特丹大学的理论物理学家 Erik Verlinde 说：“如果确实存在一个几乎没有任何暗物质的星系，我认为这对所有关于星系形成的理论来说都是一个问题。”他曾提出暗物质主导引力的替代方案，但并未参与这项研究。“即使你相信修改后的引力理论，你也会期望看到一些与此处观察到的情况不同的东西。这对几乎所有现有的理论来说都是一个问题。”
暗物质从未被直接看到或测量过，因为它不发光。它的存在是通过它对周围任何正常物质施加的引力推断出来的。天体物理学家认为，暗物质的引力对于形成宇宙的大尺度结构（星系团的丝状结构和片状结构）至关重要，科学家甚至已经测量了暗物质团块如何充当引力透镜，放大来自遥远背景星系的光。然而，一些物理学家假设根本不存在暗物质，我们所感知到的巨大、弯曲星光的重型隐形物质团块实际上是其他我们完全误解的东西。
超弥散星系于 2015 年才被发现，被认为是特别有用的宇宙实验室，可用于理解暗物质。天文学家当然认为，暗物质一定在形成这些缺乏普通恒星物质的天体中发挥作用。这种想法促使 van Dokkum 和他的同事们建造了 Dragonfly Telephoto Array，这是一架位于新墨西哥州的望远镜，专门用于仔细观察超弥散星系。研究人员最初使用 Dragonfly 研究了另一个星系，该星系似乎拥有几乎难以置信的巨大暗物质数量，这本身就是一个奇怪的结果。当 van Dokkum 和他的团队发现 NGC 1052-DF2 时，他们期望看到类似的东西。
van Dokkum 说：“相反，我们看到了相反的情况，得出了这个非凡的结论，即这个天体实际上根本没有暗物质的空间。” “这不是我们正在寻找或期望的东西。完全不是。但是你要朝着数据引导你的方向前进，即使它与你之前发现的相矛盾。”
在 Dragonfly 图像中，NGC 1052-DF2 看起来像一个标准的超弥散星系。但是，当团队将它们与斯隆数字巡天获得的更好图像进行比较时，他们发现了一个令人惊讶的不匹配之处。在 Dragonfly 的视野中似乎是昏暗的基本星系结构，在斯隆图像中却显示为点状光源。为了解决这种差异，该团队使用哈勃太空望远镜、W.M. 凯克天文台和双子座天文台（后两者位于夏威夷莫纳克亚山）仔细观察了这个星系。
点状光源被证明是 10 个球状星团——围绕星系核心运行的致密球形恒星群。然后，研究人员着手测量星团的运动，以此来估计星系的总质量。简而言之，星团围绕星系运行的速度与星系包含的物质（普通物质或暗物质）的数量有关。利用来自凯克望远镜的信息，该团队发现球状星团的移动速度比预期的要慢得多。
将星团的运动和 NGC 1052-DF2 的质量相加，他们意识到在这个特殊的星系幕布后面可能没有暗物质。所有星团的运动都可以仅用星系观测到的恒星质量来解释。
然而，德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家 Michael Boylan-Kolchin 说，这些测量结果可能并不完善，他没有参与这项新研究。“另一种可能性是，球状星团，或者他们认为是球状星团的天体，实际上并没有像他们认为的那样测量总质量，”他说。“关键是要看球状星团是否真的能追踪整个星系的质量。”
假设结果是正确的，那么有几种理论可以解释像 NGC 1052-DF2 这样的星系如何在不受暗物质隐藏之手影响的情况下聚集在一起。可能是 NGC 1052-DF2 曾经是一团平静的气体，最近受到了附近另一个看不见的星系的扰动，从而引发了恒星形成。或者，van Dokkum 推测，也许这个超弥散、无暗物质的星系是由两股碰撞并压缩形成分散恒星的气流产生的。另一个想法，由当时的耶鲁大学天文学家 Priyamvada Natarajan 在二十多年前首次提出，表明像 NGC 1052-DF2 这样的星系可能由星系大小的气体团块在饕餮盛宴的超大质量黑洞喷射出的喷流中聚集在一起形成。NGC 1052-DF2 确实位于可能发生此类事件的区域，靠近一个中心有一个超大质量黑洞的巨型椭圆星系。
或者，在没有任何直接暗物质探测的情况下，一些理论家认为暗物质的存在是虚幻的——而另一些东西驱动着星系的演化和引力透镜效应。有些人提出调整艾萨克·牛顿首次编纂的运动定律，发展出一类竞争理论，称为修正牛顿动力学 (MOND)。最近，Verlinde 提出了一种称为“涌现引力”的替代方案，其中引力是量子涨落和暗能量（另一种鲜为人知的现象，似乎正在导致宇宙加速膨胀）的副产品。
在一个悖论式的转折中，这种转折使天体物理学变得特别，NGC 1052-DF2 缺乏暗物质对于整个理论来说可能是一件好事。 那是因为即使暗物质不是真实的，暗示其存在的观测结果也是真实的。如果大尺度宇宙受引力的细微改变或暗能量的波动力场支配，那么这些效应将不会区分对待，并且会在所有星系（包括 NGC 1052-DF2）中显现出来。然而，在这个奇怪的星系中，看不到这些奇异效应的预计特征。
van Dokkum 说，在这里，“暗物质的缺失是其存在的证据”。 “这是不可避免的。它可以存在于星系中，也可以不存在于星系中，但它不是一个场，也不是某种替代物，而是一种物质的表现形式。”
Verlinde 不同意这个新星系否定了他的想法或 MOND。 “我确实相信不需要添加暗物质来解释这些观察结果。引力的作用方式可能与爱因斯坦和牛顿所说的有所不同，但我们不要立即得出结论，”他说。“我认为现在下结论还为时过早。”
后续观测，包括更详细的球状星团视图，应有助于天文学家解决这个问题，并更好地了解这些星团与星系的关系。 正在建设中的未来天文台，例如位于智利阿塔卡玛沙漠的欧洲极大望远镜或 NASA 的詹姆斯·韦伯太空望远镜，应该能够进行此类测量。
斯坦福大学的天文学家 Risa Wechsler 说：“我们如何得到如此大小的气体云，它能够形成星系，能够拥有足够的引力？”她没有参与这项新研究。“毫无疑问，这很有趣。这太奇怪了。”