“胡说八道！夸夸其谈！一派胡言！” 当我站在演讲厅的前面时，德国波恩大学的天体物理学家帕维尔·克鲁帕脱口而出。 那时我还是一个研究生，正在申请博士后研究职位。 我来到波恩是为了就我对环绕银河系的小卫星星系的研究做一个 45 分钟的演讲。 我曾帮助开发了一个理论，解释了为什么这些神秘的天体位于看似横跨天空的一条直线上——这是一种出乎意料且极其令人费解的排列。 看来克鲁帕并没有被我的论点说服。
像银河系这样的大多数星系都被数十个环绕它们运行的小卫星星系所包围。 这些星系非常微弱——只有最亮和最近的星系才被发现围绕着银河系和我们的近邻仙女座星系飞行。 但这些矮卫星星系并非随意飞行。 相反，它们都位于一个薄平面上，呈侧面朝上[参见对页的方框]。
这种排列令人惊讶。 模拟星系如何演化的计算机模拟预测，天空中的每个方向都应该包含大致相同数量的卫星星系。 长期以来，这种球形排列被认为是暗物质的自然结果，暗物质是一种神秘物质，它仅通过引力与普通物质相互作用。 天文学家认为暗物质弥漫宇宙，并在星系形成和宇宙膨胀中发挥着关键作用。
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然而，矮星系排列的谜题一直令人困扰，以至于一些天文学家，包括克鲁帕，开始质疑暗物质是否真的存在。 “暗物质已经失败了，” 他打断我的演讲说，“因为它预测卫星应该呈球形分布在银河系周围，这显然与我们观察到的情况直接矛盾。”
我正在展示一种不同的观点，试图通过指出远大于我们银河系的宇宙暗物质结构来解释银河卫星的奇特排列。 尽管仍有一些像克鲁帕这样的怀疑论者不相信，但包括我自己的研究在内的最新研究表明，巨大的暗物质网如何解释天空中卫星星系独特排列。
缺失的物质
这场辩论中心的暗物质最初是在努力解释星系的其他令人费解的特征时被假设出来的。 在 20 世纪 30 年代，伟大的天文学家弗里茨·兹威基想称量后发座星系团，这是一个由大约 1,000 个星系组成的庞大星系群。 他首先测量了后发座中星系的运动速度。 令他惊讶的是，他发现了惊人的速度——每秒数千公里——速度快到足以撕裂星系团。 为什么星系团没有自我瓦解？ 兹威基得出结论，星系团一定充满了额外的看不见的物质，这些物质通过其引力将星系聚集在一起。 这种缺失的物质随后被命名为“暗物质”。
自从兹威基大约 80 年前首次提出这个想法以来，宇宙中几乎每个被观测到的星系都出现了暗物质的迹象。 在我们自己的银河系中，天文学家从银河系外围恒星的运动中推断出它的存在。 像后发座星系团中的星系一样，这些恒星的运动速度太快，无法被我们看到的所有物质束缚住。 银河系的十几个左右的矮星系似乎包含更大量的暗物质。
暗物质的普遍性巩固了人们对其存在的信念。 事实上，大多数宇宙学家认为暗物质约占所有物质的 80%，大约是普通原子的五倍。
这种大量的暗物质意味着它应该在宇宙的演化中发挥戏剧性的作用。 研究这种演化的一种方法是使用计算机模型。 从 20 世纪 70 年代开始，计算宇宙学领域的研究人员试图使用计算机代码模拟宇宙的历史。 该技术很简单：在计算机中定义一个假想的盒子。 将假想的点粒子（代表暗物质团块）放置在盒子内接近完美的晶格中。 计算盒子中每个粒子受到的来自其他每个粒子的引力，并根据它感受到的净引力移动每个粒子。 对这个过程迭代 130 亿年。
自 20 世纪 70 年代以来，策略变得越来越复杂，但这种基本技术至今仍在使用。 四十年前，这些代码只能处理几百个粒子。 现在，最先进的计算机模拟可以成功地模拟接近可观测宇宙大小的体积中的数十亿个粒子。
宇宙的计算机模拟一直是研究单个星系的一种非常有效的方法，但它们也创造了一些值得注意的难题。 例如，计算机模型得出结论，银河系周围所谓的晕中的普遍存在的暗物质应该将气体和尘埃拉入各个团块中。 这些团块应该在引力的作用下收缩，最终形成恒星和矮星系。 就银河系而言，暗物质的普遍存在意味着我们应该期望看到数千个小星系。 然而，当我们仰望夜空时，我们只观察到几十个。 未能找到它们的问题最初在 20 世纪 90 年代被发现，此后被称为丢失的卫星问题。
在随后的几年里，天文学家设计了一些潜在的解决方案来解决这个难题。 首先，也许并非模拟中看到的所有卫星都直接对应于真正的卫星星系。 最小的暗物质团块可能缺乏捕获气体和形成恒星的质量（和引力）。 在这种思路中，观测到的卫星星系是黑暗冰山可见的一角：在我们的附近可能存在数百个，如果不是数千个，没有恒星的黑暗卫星。 我们只是看不到它们。
其次，即使小的暗物质团块确实产生恒星，这些恒星也可能太微弱而无法被我们的望远镜看到。 在这种情况下，随着技术的进步和望远镜变得更加灵敏，天文学家将发现更多的卫星。 事实上，在过去的七年中，已知围绕银河系运行的卫星数量已经翻了一番。
此外，银河系的盘状结构可能会阻挡我们观察某些卫星星系的视线。 这个盘状结构本质上是一个密集的恒星平面，它非常明亮，以至于在肉眼看来就像一种连续的白色流体（因此得名“银河”）。 找到隐藏在盘状结构后面的卫星将极其困难，就像白天很难看到月亮一样——来自盘状结构的光线简单地淹没了来自卫星的微弱光线。
总而言之，这些论点在很大程度上解决了大多数天体物理学家的丢失卫星问题，并将暗物质的想法从其最严重的观测挑战之一中拯救出来。 然而，卫星星系的奇特排列仍然困扰着研究人员。
矮星系威胁的回归
在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初的几篇论文中，剑桥大学的天体物理学家唐纳德·林登-贝尔指出，许多环绕银河系运行的卫星星系似乎位于一个平面上。 这种奇怪的排列如何解释？ 2005 年，克鲁帕和他在波恩的研究小组让世界相信这种排列不可能是随机的。 他们假设暗物质卫星均匀分布在银河系周围，正如计算机模拟预测的那样，并且这些矮星系中只有百分之一足够大，可以产生恒星和可见星系。 鉴于这些完全合理的假设，他们问道，我们期望在多大程度上找到像银河系这样的系统，其中发光的星系恰好都排列成一行？ 答案在宇宙学中引起了地震：概率小于百万分之一。
克鲁帕认为，如果暗物质引导了星系的形成，那么矮卫星星系就永远不会全部位于这个不可能的平面上。 在描述他的结果的论文中，克鲁帕提出了他自己的解决方案。 他写道，唯一的出路是，如果银河系的卫星不是作为暗物质团块的后果而形成的。 他说，暗物质不存在。
作为一个优秀的理论家，克鲁帕提出了另一种选择。 他认为卫星是银河系碎片，是很久以前掠过银河系的一个较老的母星系的残余物。 正如小行星在飞过地球大气层时会破碎并留下碎片轨迹一样，银河系的卫星可能也起源于从较大的母星系剥离的物质。
例如，克鲁帕说，当我们观察宇宙时，我们可以看到许多碰撞的星系显示出称为潮汐臂的长条物质。 通常，潮汐臂包含从小股物质中凝结出来的小矮星系。 在合适的条件下，撕裂的性质确保了剥离的物质最终会形成一个薄平面，就像银河系的卫星一样。
克鲁帕的解释优雅、简单——而且最重要的是，有争议。 它很快遭到攻击。 首先，银河系卫星中的恒星移动速度太快，无法仅靠普通物质聚集在一起。 暗物质一定将它们聚集在一起，就像它将银河系聚集在一起一样。 （事实上，观测表明，银河系的矮卫星星系是宇宙中暗物质占主导地位的星系之一。）潮汐矮星系情景意味着这些星系缺乏暗物质，这留下了一个问题，即是什么阻止了它们分崩离析。
其次，正如车祸摧毁汽车一样，盘状星系之间的碰撞也会摧毁星盘。 星系碰撞的最终结果几乎总是一个不成形的恒星团。 银河系具有清晰的结构和一个相当薄的星盘。 我们没有观察到任何迹象表明它在最近遭受过任何合并或碰撞。
暗网
解决矮星系异常排列的另一种方法需要将目光投向更远的宇宙。 从 20 世纪 70 年代开始的计算机模拟不仅仅模拟单个星系的演化。 它们模拟了宇宙的巨大体积。 当我们在最大尺度上探索这些模拟时，我们看到星系不是随机分布的。 相反，它们倾向于聚集到一个定义明确的丝状网络中，称为宇宙网。 当我们用大规模天文调查仰望天空时，我们清楚地看到了预测的结构。
宇宙网由数百万个星系的宏伟薄片组成，跨度达数亿光年。 雪茄状的细丝连接着这些薄片。 在细丝之间是巨大的空洞，那里没有星系存在。 像银河系这样的大星系倾向于将网络锚定在多个细丝相交的点上[参见对页的方框]。
当我还是英国杜伦大学的研究生时，我一直在创建这些稠密区域的计算机模拟，当时我将最近结果的图表带到了我的研究顾问卡洛斯·弗兰克的办公室。 我一直在研究的模型追踪了银河系及其周围环境过去 130 亿年的宇宙历史形成过程。 弗兰克仔细研究了这些图表片刻，摇了摇纸，惊呼道：“放下一切！你正在研究的卫星星系都位于克鲁帕的不可能平面上！” 我们的模型没有重现早期计算机模拟的预测——银河系周围卫星星系的均匀分布的晕。 相反，计算机预测了卫星平面的形成，该平面非常接近天文学家观察到的情况。 我们觉得我们的模拟开始破解矮卫星星系如何采用如此奇怪的配置之谜。
“你为什么不及时追踪卫星，看看它们来自哪里？” 弗兰克提议。 我们已经有了最终结果； 现在是时候检查模拟的中间步骤了。
当我们反向检查模拟时，我们看到矮卫星星系并非起源于紧邻银河系的区域。 它们倾向于在稍远的地方，在宇宙网的细丝内部聚集在一起。 细丝是宇宙中密度高于宇宙空洞的区域； 因此，它们将吸引附近的尘埃和气体，并将它们收集到新生星系中。
一旦这些矮星系形成，引力就会将它们拉向最近的质量最大的区域——在我们的例子中，就是银河系。 因为银河系位于细丝相交的节点上，所以矮星系在朝我们方向加速时，会穿过孕育它们的细丝。 换句话说，细丝充当暗物质的宇宙超高速公路。 当我们仰望天空，看到矮星系在一个平面上以相同的方向移动时，我们本质上是在观看迎面而来的银河交通。
一项新的测试
一些科学家，如克鲁帕，仍然持怀疑态度。 计算机模型似乎以足够的精度重现了银河系周围的观测条件，但一般理论也应该能够描述其他星系周围的邻域。
该理论面临着一项新的考验。 2013 年 1 月，天文学家绘制了附近仙女座星系周围区域的地图，发现了一个更薄的卫星薄片：一个跨度一百万光年，厚度仅为 40,000 光年的巨大平面——与笔记本电脑的尺寸大致相同。 该薄片似乎也在以克鲁帕的潮汐情景预测的方式旋转。 然而，像我自己的计算机模拟尚未能够重现我们在仙女座周围看到的星系排列。
然而，克鲁帕潮汐理论的严重问题仍然存在——它也与观测结果相矛盾。 历史表明，在这样的僵局中，明确的解决方案只能通过更多的数据才能实现。 正如阿尔伯特·爱因斯坦曾经说过的那样，“大自然并不认为让人们容易发现她的规律是她的职责。”