天文学家又发现了一个幽灵星系，它似乎缺乏暗物质。研究人员已经报告了几次这样的观测，每次都标记出所谓的超弥散星系，这些星系可以像银河系一样大，但恒星相对稀少。这个最新的天体，被称为 AGC 114905，大小与我们自己的螺旋星系相似，但恒星数量却少了 1000 倍。如果 AGC 114905 真的被证实没有暗物质，宇宙学家将被迫重新审视，甚至可能放弃他们一些最珍视的理论，转而寻求更奇特的解释来解释构成宇宙中看不见的质量的物质。
格罗宁根大学（荷兰）的 Pavel E. Mancera Piña 说：“不同类型的星系并不完全相同，使用不同的技术测量，但似乎都在讲述一个有些相似的[故事]”，他是研究 AGC 114905 团队的成员。
这个故事讲述的是不符合星系规范的异常值和落后者。“如果这些奇怪的天体最终能为我们提供关于暗物质本质的信息，那就太棒了，”耶鲁大学天文学家 Pieter van Dokkum 说。
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星系际暗物质搜寻
缺乏暗物质的星系是令人厌恶的，尤其因为对似乎拥有大量暗物质的星系的研究，正是这些研究使天文学家提出我们的宇宙充满了暗物质。例如，附近仙女座星系中恒星和气体的绕星系中心旋转速度表明，必须存在比肉眼所见的更多的物质，从而提供保持可见物质在轨道上运行所需的引力。
这些观测导致了宇宙学的 Lambda-CDM (LCDM) 模型，其中 Lambda 指的是暗能量，CDM 指的是冷暗物质，据认为冷暗物质约占宇宙的 27%。（“冷”在这里仅仅意味着假定的暗物质粒子比光速慢得多。）使用冷暗物质进行的模拟在复制星系大规模聚集以及宇宙微波背景辐射（大爆炸后约 38 万年的遗留光）中看到的模式方面非常成功。但是，这些模拟对星系尺度的活动的预测已被证明在某种程度上更难与天文观测结果相协调。
在 LCDM 模拟中，星系形成于早期宇宙中密集的暗物质团块充当引力“种子”时，吸入更多的暗物质以形成巨大的晕圈，然后大量气体凝聚到晕圈上，诞生了恒星。因此，根据 LCDM 模型，所有星系都应该拥有大量的暗物质，其中大部分都集中在星系中心。但是，即使在发现这些表面上没有暗物质的超弥散星系之前，对围绕银河系运行的矮星系的研究表明，这些小型卫星缺乏模拟预测的明显的中心暗物质“尖峰”。这些矮星系中的暗物质分布更平滑，形成了一个更宽的“核”而不是中心的一个尖锐的尖峰。
蜻蜓的发现
2018 年，van Dokkum、Shany Danieli 及其同事进一步混淆了局面，他们发现了一个名为 Dragonfly-2 (NGC 1052-DF2) 的超弥散星系。研究人员使用蜻蜓长焦阵列发现了 Dragonfly-2，这是一种旨在观察夜空中大型且极其微弱的天体的仪器。他们很快又发现了另一个名为 NGC 1052-DF4 的星系。van Dokkum 和他的同事使用一系列望远镜，包括哈勃太空望远镜 (HST) 和位于夏威夷莫纳克亚山顶的凯克天文台的 10 米级望远镜，测量了与这些星系相关的星团的速度。从这些速度中，他们推断出每个星系的总质量，发现正常物质（在本例中主要是恒星）足以解释观测结果。几乎不需要或根本不需要暗物质。
许多外部专家对此表示怀疑。“在我们的案例中，存在很大的争议，”van Dokkum 说。争议源于他们对这些星系距离地球有多远的测量存在不确定性，这有助于限制它们包含多少发光的正常物质。简而言之，星系的视亮度不仅受到宇宙距离的影响，还受到其恒星种群特征的影响。最初的估计将蜻蜓的奇特配对放在大约 20 兆秒差距的距离上——也就是说，超过 6500 万光年。但是，如果星系反而相当近——可能只有 13 兆秒差距而不是 20 兆秒差距，正如一项后续研究表明的那样——它们明显的亮度可以通过较少量的发光正常物质来更好地解释。那么，相关星团的速度将需要在 NGC 1052-DF2 和 NGC 1052-DF4 中都需要更大比例的暗物质。
但在 2021 年 4 月，van Dokkum 的团队发布了对这两个异常星系的深入 HST 研究结果，表明他们最初的较大距离估计是正确的。如果有什么不同的话，那就是星系更远了一点，这使得几乎没有或根本没有暗物质的情况更加有力。“这说服了人们，坦率地说，也说服了我们自己，”van Dokkum 说。
对于 NGC 1052-DF2 和 NGC 1052-DF4，或 DF2 和 DF4，证据很明确：这两个星系都缺乏暗物质。但是，由于两者都位于一个名为 NGC 1052 的巨大椭圆星系附近，因此解释可能很简单：它们的暗物质可能已被这个巨大的伴星的引力“潮汐剥离”，只留下正常物质。
一些天体物理过程可能会加速这种结果。2021 年 3 月，安大略省麦克马斯特大学的天体物理学家 Reina-Campos 和他的同事展示了早期宇宙中形成的某些类型的小型、致密的暗物质晕如何在新星系中心附近产生巨大的大质量恒星团。随着这些恒星在爆炸性的超新星中消亡，由此产生的星风和冲击波会将暗物质从星系中心驱逐出去。“这将最终扩大[暗物质]晕圈，在中心创建一个核，并降低其浓度，”Reina-Campos 说。再加上潮汐剥离，DF2 和 DF4 就不再那么神秘了。
六个奇怪的单例星系
但是，新发现的天体 AGC 114905 为这个复杂的宇宙故事增加了一个全新的转折。2019 年，Mancera Piña 和他的同事报告了他们使用新墨西哥州的甚大阵列 (VLA) 射电望远镜发现的六个富含气体的超弥散星系。VLA 的观测表明，这些星系中的气体云的轨道速度远低于如果星系含有典型数量的暗物质时的预期速度。最初的低分辨率测量表明，云的速度可以用仅存在正常物质来解释。此外，与 DF2 和 DF4 这对星系不同，这些星系中的每一个都是单例星系，孤立且远离任何可能剥离暗物质的其他宇宙天体。其他天文学家对此很感兴趣，但仍然持怀疑态度，因为 VLA 的观测结果不够有力，无法支持明确的结论。“每个人都在说，‘好吧，但现在你需要更好的数据才能完全说服我们，’”Mancera Piña 说。
AGC 114905 是该团队选择进行深入研究的六个星系之一。Mancera Piña 和他的同事使用 VLA 的高分辨率配置对该星系进行了 40 小时的观测。此前，他们通过观察沿其半径两个位置的气体速度来研究星系的自转；这次他们观察了五个位置。结果没有改变。“观测表明，没有暗物质的空间，”Mancera Piña 说。
对 AGC 114905 的最新观测结果也与修正引力理论（例如修正牛顿动力学 (MOND)）的预测不符。这些理论试图在不求助于暗物质的情况下解释星系中恒星和气体的运动。“[MOND] 直接告诉你星系应该如何旋转，”Mancera Piña 说。“这个预测完全偏离了我们的值。”
凯斯西储大学的天文学家和 MOND 的长期支持者 Stacy McGaugh 对此并不信服。“这是一个星系。因此，用它来做出强烈的声明——他们声称要证伪 LCDM 和 MOND——是夸大其词了，”他说。“星系的正常行为是确定的。这是一种异常现象，更有可能是由于系统性不确定性而不是真正的物理效应造成的。”
可疑的倾角
Mancera Piña 和他的同事承认，他们观测中最大的不确定性来源是他们对星系整体形状及其倾斜角度的估计——它相对于我们的宇宙视线倾斜了多少。这个角度对估计遥远星系内部物体的旋转速度具有超大的影响。由于技术原因，天文学家目前只能测量星系的恒星和气体朝向或远离我们的速度；对于遥远的星系，任何在天空平面上的横向运动都无法辨别。正面朝上的螺旋星系（倾角为零）基本上不会产生关于其恒星速度的信息，而侧面朝上的星系（倾角为 90 度）将允许非常精确地测量恒星速度。因此，准确估计星系的倾角至关重要。
该团队认为 AGC 114905 是圆形的，并估计其倾角约为 32 度，正负 3 度。然而，Mancera Piña 说，“如果你想让 MOND 和冷暗物质都起作用，那么倾角需要约为 10 度，因此星系需要看起来更圆。我们已经尽可能仔细地测量了这一点。我们发现，我们测量的相关不确定性与 10 度相差甚远。”
如果关于星系圆形形状的假设是错误的——因为它呈椭圆形或变形或具有其他奇怪的形状——那么这也将影响倾角估计，从而影响恒星和气体的估计速度。“这是一种总是导致人们高估倾角的系统性误差，”McGaugh 说。
van Dokkum 说，使用光学望远镜而不是基于射电的 VLA 研究星系将有助于减少不确定性。“我希望有人能获得该天体的哈勃图像，”他说。“这样我们就可以看到它实际的样子了。”与此同时，Mancera Piña 和他的同事计划使用高分辨率的 VLA 来仔细检查他们最初研究中的其他五个超弥散星系，这些星系也显示出类似的特征。
法国斯特拉斯堡天文台的天文学家 Benoit Famaey 认为，应该研究更大的此类星系样本，以排除因不完美的倾角测量而产生的任何系统性偏差。“我们有充分的理由怀疑倾角测量，这是结果的关键，”他说。“因此，我们应该等待更大样本量的这种假定的星系群，然后再将我们目前的所有星系形成理论扔进垃圾桶。”
不过，他承认，如果结果得到证实，其影响将是巨大的。“假设它成立，作者完全有理由认为它对 LCDM 和 MOND 都构成了问题，”Famaey 说。
如果这种情况真的发生——这是一个很大的假设——那么重点将转移到暗物质的其他候选者身上。这是因为对 DF2 和 DF4 的首选解释——它们不知何故被剥夺了冷暗物质——不适用于 AGC 114905，因为它在太空中是孤立的。
暗物质多样化
冷暗物质的一个有希望的替代方案是所谓的自相互作用暗物质 (SIDM)。在 LCDM 模型中，暗物质被认为是无碰撞的，这意味着它不与自身相互作用。但是，如果暗物质粒子可以经常碰撞并相互作用，这可能有助于解释在不同星系中观察到的暗物质分布的多样性。
在 2019 年发表的一项研究中，加州大学尔湾分校的 Manoj Kaplinghat、加州大学河滨分校的 Hai-Bo Yu 及其同事表明，自相互作用暗物质将重新分配动能，从星系暗物质晕圈的外部区域到其内部区域，在宇宙学时间尺度上。暗物质粒子之间的碰撞平均会增加靠近星系中心的粒子的速度，使它们逐渐向外扩散，从而将暗物质密度分布从尖峰转变为核。该团队表明，斯皮策光度测定和精确旋转曲线 (SPARC) 数据集中捕获的不同类型星系内恒星轨道速度的观测结果，用自相互作用暗物质模型比用 LCDM 模型能更好地解释。
2020 年，Yu 和他的同事表明，自相互作用暗物质可以增强潮汐剥离效应，据推测潮汐剥离效应已从 DF2 和 DF4 中移除了神秘物质。“自相互作用的效果是将暗物质从星系的内部区域推到外部区域，”Yu 说。一旦发生这种情况，像 NGC 1052 这样的附近庞然大物就可以接管，从 DF2 和 DF4 的外部区域虹吸走暗物质。如果假设是无碰撞冷暗物质，则同样的情况不太可能发生。
但是，鉴于 AGC 114905 没有附近的邻居来解释其可能缺乏暗物质的原因，Yu 和 Kaplinghat 以及 Mancera Piña 及其同事正在尝试看看从不同的初始暗物质晕圈（与 LCDM 中通常假设的不同）开始是否可以提供一些答案。模拟抛出了许多类型的暗物质晕圈，宇宙学家将最有可能的晕圈类型作为进一步分析的基础。但是，星系形成可能从其他类型的晕圈开始，这些晕圈具有不同的暗物质分布。“我们正在探索一些暗物质晕圈……以前没有人探索过。我们看到了一些有希望的信号，”Yu 说。“我们将研究 CDM 和 SIDM 框架中的‘无暗物质’超弥散星系，以了解哪一个与观测结果更吻合。”
牛津大学的 Subir Sarkar 赞同使用任何和所有方法来理解暗物质。“暗物质的理论候选者范围非常广泛，到目前为止，我们几乎没有来自加速器实验或直接或间接搜索的指导，来缩小可能性，”他说。“任何表明暗物质具有自相互作用的迹象都非常有趣，因为这立即反驳了像 [CDM] 这样的流行候选者……以及 MOND。因此，这些观测的重要性以及更好地理解具有这种非标准暗物质的星系形成的需求怎么强调都不为过。”