还记得那个无暗物质的星系吗?也许暗物质是存在的

一个被认为没有暗物质的星系实际上可能充满了暗物质。矛盾的是,这可能意味着暗物质不存在。今年3月,一组天体物理学家在《自然》上发表了一篇论文,声称发现了一个没有暗物质的星系(一种无形物质,似乎在不与光相互作用的情况下施加引力)。科学家们提出了这种奇异物质的存在来解释一种奇异现象:根据天文学家们用望远镜所能看到的光线,宇宙的运行方式就像有更多质量,因此也就比阿尔伯特·爱因斯坦的理论所预测的引力大得多。《自然》期刊是大新闻,这将是宇宙中发现的第一个此类物体。此外它似乎给另一种解释宇宙怪异的理论以致命一击:在那种理论中,引力本身的作用与我们(和爱因斯坦)所认为的有点不同。

NGC1052-DF2小星系之前被认为没有暗物质。一篇新的论文表明,它可能含有暗物质。图片:NASA, ESA, and P. van Dokkum (Yale University)

如果引力与爱因斯坦的方程有一点不同,那么它在宇宙中任何地方都应该是不一样的——包括在这个看起来似乎没有暗物质的星系——而不仅仅是在某些地方。现在,另一组物理学家在arXiv上发表了一篇论文,声称这个星系的行为就好像它毕竟有暗物质一样。如果这是真的,那就意味着暗物质的主要替代物可能仍然是真的。然而,最新的arXiv论文还没有经过同行评议,三月的《自然》作者也不同意第二篇论文的结论。

暗物质还是别的什么?

从3月开始的原始论文中,关于一个暗无物质星系令人震惊的宣称,是围绕着一群恒星在一个叫做NGC1052-DF2的薄而弥散的星系中移动的。它们似乎是按照爱因斯坦的广义相对论的速度来预测,这是基于可见物质的(因此如果星系拥有暗物质的话,速度会比它们要慢)。这篇关于arXiv新论文提出了相反的观点:首先作者指出NGC1052-DF2早在1976年就已经被发现,并且之前被三个不同的名字所提及:KKSG04、PGC3097693和[ks2000]04。然后利用这些名字,然后找到银河系上所有可用的数据,研究人员认为来自3月论文的研究人员只是错误地测量了银河系和地球之间的距离。这意味着银河系可能比原来研究人员认为的更接近我们。

天文学家根据天体的亮度和距离来计算星系的质量。如果论文中研究的星系比之前认为的离地球更近,那么它的暗沉意味着它的质量也比研究人员想象的要小得多。新论文中的研究人员说:在新计算出的更轻质量下,星系的所有其他特征都更有意义。它的球状星团并不慢,因为它们在一些奇怪暗物质沙漠中,相反,它们以一个非常轻的星系正常速度运动。然而耶鲁大学天体物理学家、《自然》3月论文第一作者彼得·范·多库姆说:新arXiv分析是有缺陷的。关键的距离测量来自于哈勃太空望远镜数据,看起来他们误读了它。这个论证有点技术性,但本质上,他们把单个恒星的像素变化弄错了。

如果NGC1052-DF2像他们声称的那样接近,那么这个星系将被分解成一个个恒星的海洋。然而卡纳里亚斯天体物理学家、新arXiv论文第一作者伊格纳西奥·特鲁希略(Ignacio Trujillo)说:他和他的同事们坚持自己的估计,当图片中对比发生变化时,可以在NGC1052-DF2的图片中看到许多单独的恒星。此外,我们的论文不仅使用了估计星系距离的标准,而且使用了多达五种不同的(完全独立的)方法,所有的方法都收敛到相同的数字。

暗物质的要点

然而还有比关于遥远小星系运动争论更深层的东西:关于暗物质本身存在的争论。研究人员认为NGC1052-DF2(简称DF2)不包含暗物质,这被认为是暗物质确实存在于宇宙中的证据——另一种理论需要引力在所有地方都有不同的表现。至少从20世纪80年代开始,一群天体物理学家就开始争论暗物质整个概念是错误的科学。这些科学家认为,暗物质的提议本质上是一个无法验证的想法,可以永远推测,但从未被证明是错误的。怀疑论者认为,虽然研究人员已经发现了暗物质的间接证据,除了它对遥远恒星和星系的引力之外,他们从未捕获过任何一个碎片,或者直接证明了它的存在。大多数暗物质怀疑论者都对另一种理论感兴趣,在这种理论中,引力有点不稳定。这一理论被称为“修正牛顿力学”(MOND),该理论提出了一套对银河系尺度的物理定律微调,以消除对暗物质的需要。

这些科学家认为,如果真正的万有引力定律与你现在在物理课本上看到的有些不同,那么也许暗物质根本就没有必要解释宇宙的行为。当NGC1052-DF2的论文在3月发表时,它被呈现为蒙德的死亡knell。发现一个没有暗物质的星系并不能证明暗物质的存在,就像沙漠不能证明湖泊的存在一样。但蒙德没有这种奢侈;如果修改后的物理定律是真实的,它们必须在整个宇宙中保持一致。换句话说,如果一个星系遵循非蒙德定律而不受暗物质的影响,那么蒙德不可能是真的。

因为这个原因,DF2 "在表面上看起来是另一颗钉子。加州劳伦斯伯克利国家实验室的天体物理学家凯瑟琳祖雷克说:出于这个原因,DF2“在表面上看起来像是蒙德的棺材里的另一颗钉子。这就是大多数物理学家的反应,但并不是每个人。俄亥俄州凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的天体物理学家斯泰西·麦克高(Stacy McGaugh)对暗物质和MOND都进行了研究,但在最近的一篇论文中都没有进行研究,他对此持怀疑态度。在4月的一次后续采访中,McGaugh说:DF2的说法并不能解释“外部场效应”(一个MOND的微调,可以让附近的一个大星系影响DF2的行为)这表明MOND并没有受到某些人所暗示的打击。

DF2的说法是基于一些有问题的统计数据:研究人员测量了银河系中仅有10个物体的速度,以计算DF2的总速度,排除了一个与其他物体表现非常不同的物体。排除异常有时是合理的,但在这个案例中,他的计算表明,将非常不同的物体包括在内,会极大地改变论文的结论。由于被遗漏的物体,星系与MOND不一致。McGaugh说,由于这个物体包含在计算中,整个星系看起来要正常得多。现在,有了这篇新的arXiv论文,仍然没有得到同行科学家的评论,有了新的论据反对一个无暗物质的星系——以及暗物质的存在——但是这些论据刺激了探寻更多的论据,暗物质的传奇还在继续!

博科园-科学科普|文:Rafi Letzter/Live Science