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星系未有發現暗物質 首證星系形成未必與暗物質有關

2018/3/29 — 19:22

 NGC 1052-DF2 / NASA

NGC 1052-DF2 / NASA

天文學家一般認為暗物質是星系形成的關鍵。最新刊於《自然》研究發現星系 NGC 1052–DF2 可能沒有暗物質。此發現或首次證明星系形成未必與暗物質有關。

沒有人肯定暗物質是甚麼一回事。天文學家將暗物質形容為「房間中的隱形大象 (Insivible elephant in the room)」。天文學家認為,星系除了由不同物質——星塵、電子、中子等組成外,還有暗物質。暗物質並不是一種物質,而是一種未被清楚,只暫名為「暗物質」的空白概念。天文學家指出,現時觀察到恆星環繞星系核心速度極快,而星系內所有星體引力並不足以將高速運行的恆星拉著,理應會將恆星拋離軌道。然而,恆星沒有被拋離、星系依然存在。物理學家估計,這可能是空間中有多出來,且不可見的質量將恆星拉著。

然而,天文學家 Pieter van Dokkum 的研究隊伍發現首個沒有暗物質存在的星系 NGC 1052–DF2。這個星系距離我們約 6,500 萬光年,並不是以常見的螺旋星系或橢圓星系形態呈現,也沒有明顯的星系核心。不僅如此,現有證據也不見得星系中存有中央黑洞。從其球狀星團的顏色估計,星系大約於 100 億年前形成。這個星團亦比其他星系中發現的大兩倍。

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若以其他星系的情況計算,NGC 1052–DF2 存有暗物質應比恆星質量多 400 倍。為檢測這個推論,研究人員透過測量星系恆星群的活動,以計算軌道物質質量。然而,他們發現星系恆星質量已佔整個星系的質量。

也就是說,NGC 1052–DF2 不如其他星系般,有其他「暗物質」質量存在;即使有暗物質存在,分佈也相當散落。這個發現與科學家此前提出星系形成理論有出入,暗物質不一定是星系形成的關鍵,為暗物質議題再添加疑團。

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宇宙暗物質分佈意想圖 / Max Planck Institute for Astrophysics

宇宙暗物質分佈意想圖 / Max Planck Institute for Astrophysics

以往天文學家認為,暗質量比一般物質的質量多約 5 倍,而星系形成是始於暗物質合併、聚合,組成宇宙骨幹。這個過程讓更多暗物質繼續聚合,變得更大。與此同時,星塵和氣體逐漸形成不同恆星,當恆星死亡後,再孕育新一代恆星。恆星和星系與暗物質在長時間互動之下,形成今日我們已知宇宙,稱為「哈勃序列 (Hubble Sequence) 」。

但 NGC 1052–DF2 怎樣形成?Van Dokkum 的研究隊伍就指出其中一個可能性,NGC 1052–DF2 處於大型星系 NGC 1052 之中。當大型星系擴展之際,有機會會令 NGC 1052–DF2 暗物質「消失」。另一個解釋,則是當氣體朝大型星系 NGC 1052 移動時,或會因碎片化形成 NGC 1052–DF2 。加上在其附近,處於 NGC 1052 中心,正在擴展的較年輕黑洞會發出強烈的風,亦幫助 NGC 1052–DF2 形成。

未有參與研究,俄亥俄州立大學天文學家 Annika Peter 接受《Quanta》亦提出另一個解釋。她認為, NGC 1052–DF2 附近的星系大型引力場,會將暗物質「拉走」,而星體沒有被影響。情況如同將檯布拉走,而上面的物件依舊停留一樣。今次發現及相關解釋均指出,暗物質不一定是星系形成的必要「成份」。不過 van Dokkum 坦言,現時各個假說均未能完整解釋此現象。

有趣的是,雖然星系中未有發現到暗物質存在,研究人員卻認為發現為暗物質理存在提供更有力證據。在此之前,修正牛頓重力理論 (Modified Newtonian Dynamics) 及引力熵力假說 (Emergent Gravity) 均嘗試否定暗物質存在。前者提出修正後的牛頓定律,認為引力在星系機制與一般情況有異;後者則提出,空間時間是由細小元素組成,而當中的運動會引致引力。這兩種假說均指向同一結論:暗物質只是一種錯覺。

然而,若這兩個假說為真,那就是說每一個星系都應該會出現類似因「暗物質」形成的錯覺,沒有例外。此兩個假說在今次發現之前,仍然站得住腳。不過,天文學家未能在 NGC 1052–DF2 中發現到暗物質,隨即能否證這兩個假說,令科學家更相信暗物質存在。

研究帶來了更多「暗物質」問題。因此,研究隊伍將會發表另一份報告,以更深入探討恆星群和 NGC 1052–DF2 的秘密,並讓科學家了解暗物質與星系及宇宙形成關係。

來源:
Quanta Magazine, A Victory for Dark Matter in a Galaxy Without Any, 28 March 2018

報告:

van Dokkum, P., Danieli, S., Cohen, Y., Merritt, A.,  Romanowsky, A.J., Abraham, R. ... & Zhang, J. (2018). A galaxy lacking dark matter. Nature, 555, 629–632. DOI: 10.1038/nature25767

文/Edward Ho 、審核/Alan Chiu、David Yu、TC Chow

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