银河系发生了一些奇怪的事情。最近的测量表明，我们星系外围的恒星行为异常。它们的速度远低于其他星系中类似位置的恒星。对于银河系恒星速度缓慢的一种可能的解释是，我们的星系异常缺乏暗物质，这种看不见的物质被认为是宇宙结构的引力支架。另一种解释是，我们对暗物质的核心概念——例如宇宙中存在多少暗物质——在某种程度上存在严重缺陷。
这个令人费解的问题源于欧洲空间局的盖亚卫星，该卫星提供了关于银河系中近20亿颗恒星的速度和位置的无与伦比的信息。去年，盖亚团队发布了该太空望远镜迄今为止最精确的测量结果，促使天文学家重新评估他们对星系范围内恒星行为的评估。几个独立的研究小组现在报告了银河系外缘，即我们星系发光漩涡的周边边缘，恒星轨道异常缓慢的情况。
恒星速度提供了一种衡量星系质量的方法；每颗特定恒星感受到的引力取决于星系的总质量。一项基于盖亚数据的研究于9月27日在《天文学与天体物理学》杂志上发布，该研究将我们星系气体、尘埃、恒星和暗物质的总质量定为太阳质量的2000亿倍——这对你我来说是巨大的，但大约比早期几次评估中发现的质量少了五倍。由于银河系可见物质没有消失，因此解释这一结果的一种简单且特别发人深省的方法是，暗物质的漂浮量远低于之前认为的水平。
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再说，衡量星系的质量是一项出了名的棘手业务，因此盖亚的数据或新的分析中可能潜伏着错误，从而产生了银河系异常苗条的错觉。但是，多个团队都看到了相同的结果这一事实为这些发现提供了更多的实质性证据。如果属实，它们可能会迫使人们重新思考基础物理学，并促使人们重新审视宇宙中的所有其他星系。
“让我这样说，”凯斯西储大学的天文学家斯泰西·麦高夫说，他没有参与最近的任何研究。“如果结果真是这样，那将是革命性的。”
在20世纪70年代，天文学家维拉·鲁宾和她的同事开始测量其他星系中的恒星运动。人们预计，星系外围的恒星的轨道速度会比中心附近的恒星慢，就像海王星每165年绕太阳运行一周，而水星在88天内绕太阳运行一周一样。然而，奇怪的是，鲁宾和她的同事发现，外围恒星的运行速度与其中心兄弟姐妹大致相同，这表明每个星系内部和周围都存在大量的隐藏物质，引力拖拽着遥远的恒星以提高它们的速度。这种看不见的物质，当时已被称为暗物质，据推测形成了环绕星系的巨大光环，对于大型星系来说，其质量是可见物质的10倍，对于矮星系来说，则高达100倍。
在我们被困在银河系内部的情况下，测量银河系中所有物体的运动并非易事。因此，天文学家倾向于假设银河系中的恒星行为与在其他星系中看到的恒星行为非常相似。太阳位于距银河系中心约26,000光年的地方，以大约500,000英里/小时（800,000公里/小时）的速度绕其运行，对银河系内外其他恒星的大多数观测都支持了这样一种观点，即更远处的恒星速度应与我们恒星的速度大致一致。
盖亚卫星于2013年发射升空，通过航天器对银河系中恒星的三维位置和运动的极其精确的测量，为这一简单概念提供了迄今为止最好的测试。但是，这种测试是一个渐进的过程，因为盖亚的计算精度与其观测恒星样本的时间长短同步提高。利用盖亚，意大利恩里科·费米研究中心理论物理学家弗朗切斯科·西洛斯·拉比尼和他的同事几年前就看到了银河系恒星速度下降的微妙迹象。这些迹象在盖亚最近的数据发布（来自2022年）中变得更加明显，该数据发布将恒星运动的精度提高了一倍，高于2018年之前的版本。这些改进使天文学家能够比以前更准确、更远地绘制恒星的路径。
仅今年一年，就有四篇不同的论文揭示了距银河系中心10万光年以外的恒星速度急剧下降。《天文学与天体物理学》杂志最近的研究将这种下降称为“开普勒式”，意思是它类似于在我们太阳系行星中看到的下降，我们太阳系行星的运动最早由17世纪德国天文学家约翰内斯·开普勒准确描述。
这一发现与所有预期背道而驰。除了一些小的偏差外，其他星系中恒星轨道的图表始终显示，从中心到边缘的所有恒星都以相似的速度旋转，就好像被暗物质的引力抓住一样。“但就目前而言——这就是非常有趣的地方——我们没有发现任何其他星系显示出这种开普勒式下降，”巴黎天文台的弗朗索瓦·哈默说，《天文学与天体物理学》杂志最近研究的合著者。
从广义上讲，银河系在所有星系中都是独一无二的观点与宇宙学的一项基本原则相矛盾，该原则认为宇宙中没有任何特殊的地方。这些发现造成了更具体的难题，因为我们星系的推断质量估计较低，为2000亿个太阳质量。天文学家对他们对银河系中可见物质的测量非常有信心，其质量约为600亿个太阳质量。如果这两个数字都是正确的，这意味着暗物质与普通物质的比率仅为2.3比1——远低于类似大小星系中发现的10:1的比率。
鉴于对缩减版银河系的认知来自几项独立的分析，一些研究人员认为，虽然这种下降可能是真实的，但它并不能代表我们星系的整体情况。更遥远甚至超出盖亚高精度探测范围的恒星很可能表现出相应的速度上升，以抵消异常下降。“如果它一直这样下去，我会感到非常惊讶，因为那样会同时出现很多问题，”麻省理工学院的天体物理学家莉娜·内西布说，她是另一篇关于恒星速度下降的论文的合著者，该论文发布在预印本服务器arXiv.org上。
她的观点得到了多条证据的支持。大麦哲伦星云距离银河系中心约16万光年，是一个卫星星系，它以超过65万英里/小时（一百万公里/小时）的速度绕我们自己的星系运行——这个值与标准的暗物质模型一致。另一条证据来自恒星流——小型星系和星团的残余物，它们离银河系太近，被其引力撕碎。这些恒星流延伸到很远的距离，并提供了与更重的近似值一致的我们星系质量的估计。
还有一种可能性是，这些不同的团队在某种程度上无意中误解了他们的数据。在宾夕法尼亚大学，天文学家罗宾·桑德森在计算机上模拟银河系，然后想象如果将虚拟盖亚卫星放置在其中，会看到什么样的地图。她说，任何这样的图都需要某些影响其结果的假设，例如星系暗物质分布的总体形状。“我的团队研究了这些过于简单的假设——每个人都知道这些假设过于简单——如何导致奇怪的结果，即模型仍然描述了数据，但不一定与底层系统的现实相符，”她说。
桑德森没有参与任何论文，她对从这些论文中得出确凿的结论持怀疑态度。她指出，虽然盖亚提供了无与伦比的3D信息，但其恒星速度测量的不确定性随着其在星系中向外看的距离而增加。
来自诸如维拉·C·鲁宾天文台（最初称为大型综合巡天望远镜，于2019年更名）等设施的未来数据有望找到银河系外围的恒星，从而帮助解决这场辩论。盖亚的下一次发布预计在2025年底，也可能提供更准确的信息。哈默渴望更仔细地检查其他星系，看看它们的恒星速度是否也可能显示出与银河系类似的下降。
对于麦高夫来说，这一事件代表了任何成熟研究界预期的正常、健康的动荡的一部分。“这需要一段时间才能稳定下来，但我认为我们会在这个过程中学到一些东西，”他说。内西布表示同意，并表示她发现当前的辩论比令人担忧更令人兴奋。“是的，这很奇怪，”她说，“老实说，这使得科学变得很酷。我喜欢事情变得奇怪的时候。”