为何存在两个缺乏暗物质的星系?

[ 录入者:Melipal | 时间:2019-04-29 20:53:16 | 作者:Melipal 译 | 来源:Sky & Telescope | 浏览:682次 ]

原文标题:Why Are Two Ghost Galaxies Missing Dark Matter?

作者:Monica Young   原文来自:SkyandTelescope.com   Posted: 2019. 4. 5

编译:Melipal   审校:Linq

两个缺失暗物质的星系为本应富含暗物质的幽灵星系的研究研究带来了线索。

幽灵无处不在——比如幽灵星系。其中的一些幽灵星系尺度与银河系相当,甚至更为庞大,但它们却只具有极少的恒星,因此它们极其暗淡,可以从字面意义上被看穿,因此难以探测。数十年来,我们已经知道了此类星系的存在,但直到最近,新的观测技术才证明了它们的普遍性。

大多数所谓的超弥散星系的暗物质含量必然是高得惊人的——暗物质理应提供了不让疏散的恒星彼此分离的引力。但是现在天文学家不仅发现了一个,而且还找到了两个看上去缺乏暗物质的星系。新的发现让此类星系形成的理论更显扑朔迷离。

一个缺乏暗物质的星系

去年,来自耶鲁大学的彼得·范·多库姆(Pieter van Dokkum)与同事在椭圆星系NGC 1052的外围第一次发现了缺乏暗物质的星系NGC 1052-DF2。天文学家对运行在星系边缘的10个球状星团进行了观测,并测量了DF2的总质量。其结果是,这个星系质量很小,大约与其恒星质量相当。通常,星系的总质量是恒星质量的100倍乃至更多,这暗示了暗物质的存在。但这个星系看上去压根就不存在暗物质,只有恒星。

(出于天文学家尚不清楚的原因,这些球状星团本身也很是古怪。它们的亮度都高得不寻常,几乎与银河系中最明亮的球状星团——半人马ω一样亮。)

在这张哈勃空间望远镜拍摄的图像中,中央的模糊斑块就是不同寻常的超弥散星系NGC 1052-DF2,这是一个几乎不存在暗物质(如果不是完全不存在的话)的星系。图片提供:NASA / ESA / P. van Dokkum (Yale University)

也许并不让人意外的是,小组这个不同寻常的主张随即被争议所包围。有些天文学家辩称,10个球状星团不足以给出可靠的质量估计。其他人称,NGC 1052-DF2的距离本身并不确定,这使得任何想了解它的举措都变得非常混乱。

为了确定DF2的性质,范·多库姆与同事使用了蜻蜓远摄阵列。该阵列可以通过多台佳能400毫米镜头同时拍摄一个目标,与蜻蜓的眼睛原理类似。这一独特的设置让天文学家可以捕获极为暗淡的“斑块”,其中就包括缺乏恒星的大型星系。在DF2被发现之前,小组已经在拥挤的后发星团中测绘了数十个这样的幽灵星系,其中就包括古怪的蜻蜓44——这是一个质量与银河系相当的星系,但恒星数量要比银河系少100倍。看上去这个星系99.99%的物质都是暗物质。

范·多库姆与同事提出,像蜻蜓44这样的星系在穿过星系密度极高的环境时,引力相互作用剥离了恒星或产生恒星的物质。所以这些超弥散星系实际上是“失败的星系”。

但DF2的发现看上去却推翻了上述结论——某些过程剥离了其中的暗物质,又或者说它从一开始可能就不具备什么暗物质成分。

“一个是例外,两个是族群”

现在范·多库姆的小组发现了另一个缺乏暗物质的星系——NGC 1052-DF4。小组在蜻蜓阵列的图像中找到了DF4之后,使用哈勃空间望远镜进行了成像观测,还使用夏威夷莫纳克亚(Mauna Kea)山的凯克I号望远镜进行了分光后续研究。

使用蜻蜓远摄阵列拍摄的巡天图像展示了椭圆星系NGC 1052(图片中央)周边的天体,其中就有DF2(左下)和DF4(右上)。这两个星系都缺乏暗物质,且大小、光度、形态、球状星团族群和速度弥散量相近。图片提供:2P. van Dokkum (Yale University) / STScI / ACS

DF4就是DF2的翻版:前者的大小、光度与后者相同,且同样具备一群亮得不同凡响的球状星团。与DF2一样的是,DF4看上去总质量也与恒星相当,再次抛弃了暗物质存在的意义。

天文学预印本文库arXiv发布论文后,范·多库姆在推特上写道:“这篇论文无法传达的信息是我们有多么的惊讶!”这篇论文刊登在3月20日的《天体物理学报通信》杂志上。

第二个缺乏暗物质的星系的发现增进了第一个发现的可信性。这不仅是因为2大于1。这次审稿人的意见格外正确,范·多库姆和同事遵循了匿名审稿建议,使用第二种方法测量了DF4的质量——测量星系中恒星的运动。蜻蜓阵列、哈勃和凯克都无法将遥远而又暗淡的恒星解析出来。相反,天文学家使用凯克捕获了弥漫的星光,就好像是暗夜之下的观测者可以看到银河系千亿恒星发出的暗淡奶状辉光一样。

通过测量弥漫星光展现出的速度,天文学家确认了先前测得的速度。这次由耶鲁大学的沙尼·丹尼利(Shany Danieli)领导的小组还重新测量了DF2发出的弥漫辐射,同样证实了其具有低质量的事实。对DF2的最新结果发表在4月1日的《天体物理学报通信》杂志上(论文预印本请点击)。

来自英国萨里(Surrey)大学的米切尔·科林斯(Michelle Collins)说:“我认为,在低速度弥散(进而是低质量)论断背后必然存在什么东西。”科林斯并未参与此项研究。在DF2刚被发现的时候,她曾经表达过怀疑的意见,但她指出:“现在我当然不再怀疑统计结果。”

然而现在还是存在未完成的工作。许多详细的线索说明,DF2与DF4都属于NGC 1052周边的星系团成员,但并非每个人都赞成这一观点。

富含暗物质的星系

那么为什么NGC 1052-DF2与DF4看上去与后发星系团中的邻近超弥散星系区别如此之大?在后者中潜藏的数千个类似星系中,大多数都是富含暗物质的,其暗物质所占的比例最高可达98%。

科林斯说:“我们可能只是关注了可能性的两个极端。在这两种情况中间,我猜测可能还会存在一些超弥散星系,其拥有的暗物质数量还算正常。”

后发星团。图片提供:Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona

DF2与DF4与富含暗物质的后发星团成员也确实存在一个共性:数量占优的球状星团。2017年,范·多库姆与同事发现,后发团中超过一半的超弥散星系拥有多于预期的球状星团。这些古老的恒星都市生于数十亿年之前,它们可能蕴涵着星系诞生与演化的线索——但人们还不清楚星系及其星团存在怎样的联系。

为了从整体上认识超弥散星系的性质,来自荷兰射电天文学研究所(ASTRON)和格罗宁根(Groningen)大学的帕威尔·曼塞拉·皮纳(Pavel Mancera Piña)及其同事最近开展了一项针对8个星系团的大型巡天,找到了442个满足大尺度与极低光度两个条件的星系。这个小组发现,这些星系距离星系团中心越近,它们的也越趋于“红色死寂”的性质,这意味着星系团的环境必然将生成新一代(蓝色)恒星所需的物质剥离掉了。

这项发表于《英国皇家天文学会月刊》杂志5月号的研究指出,超弥散星系本质上是大型矮星系:它们的恒星数量与正常矮星系相当,只是大得不同寻常而已。这一解释与范·多库姆等人所支持的“失败星系”理论针锋相对。

科林斯指出:“超弥散星系的定义非常宽泛。考虑当前定义所允许的性质分布在极大的范围内,我认为这个定义内存在不止一‘类’的星系。”

但星系幽灵猎人并未放弃:在皮纳的小组将超弥散星系族群作为一个整体,继续开展系列研究的同时,蜻蜓阵列团队还在搜寻缺乏暗物质的例外。

(全文完)

Tags:超弥散星系 暗物质

责任编辑:Melipal

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