人类挑战暗物质?

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挑战暗物质的银河

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这个大而模糊的星系是如此分散,以至于天文学家称它为“透视”星系,因为它们可以清楚地看到它背后的遥远星系。这个幽灵般的物体,编号为NGC 1052-DF2,没有明显的中心区域,甚至螺旋臂和圆盘,这是螺旋星系的典型特征。但它看起来也不像是一个椭圆星系。即使它的球状星团也是奇怪的:它们是其他星系中典型恒星群的两倍。所有这些古怪的东西都与这个星系中最怪异的方面相比显得苍白:NGC 1052-DF2由于明显缺乏暗物质而备受争议。NASA,ESA和P. VAN DOKKUM(耶鲁大学)

我们的宇宙不像我们。虽然我们是由原子和其他形式的正常物质构成的,但宇宙尺度的观测表明绝大多数宇宙都是黑暗的。有暗能量,驱动宇宙的膨胀,暗物质,将巨大的团块和星团聚集在一起。每个已知的星系含有的暗物质大约是正常物质的五倍,导致我们观察到的引力现象。

但也有例外。今年早些时候,天文学家揭示了有史以来发现的最令人费解的星系之一,即 NGC 1052-DF2。它是弥漫的,像银河一样大,但只有不到1%的恒星。早期的观察结果表明,它的大部分暗物质(如果不是全部的话)都缺失了。但这个星系真的对暗物质提出了挑战,还是更复杂的事情呢?随着2018年即将结束,这是我们迄今为止所学到的。

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暗物质的宇宙网及其形成的大规模结构。正常物质存在,但仅占总物质的1/6。其他5/6是暗物质,没有任何正常物质可以摆脱它。小尺度效应通常可以从低质量星系中驱逐正常物质,但是不管星星是什么,预计更大的星系内部仍然会有暗物质。MILLENIUM SIMULATION,V。SPRINGEL等。

当我们所知道的宇宙首先出现时,它是热的,密集的,膨胀的,几乎完全均匀的,充满物质和辐射。随着它的膨胀,它会冷却,从辐射中吸收能量。随着物质在宇宙中占主导地位,引力开始在高密度区域引入额外的质量,导致气团,恒星,星团和最终的星系。

宇宙开始以这种方式成长:首先是最小的尺度。在具有相同平均密度的宇宙中,较小的距离尺度意味着较小的质量。当你在小尺度上形成新的恒星时,风,辐射和由此产生的超新星可以从内部排出大量的正常物质。因此,我们今天看到的许多小型星系的暗物质与正常物质的比例不同,而不是标准的5比1。

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从理论上讲,银河系中的大部分暗物质都存在于吞没我们的巨大光环中,或者,重力定律在大尺度上是不同的。对于大质量星系而言,没有暗物质的星系是出乎意料的,除非发生重大的质量剥离事件。如果没有NGC 1052-DF2的合理情景,我们预计内部会有一些暗物质。ESO /L.CAL?ADA

但是在更大的尺度上,星系的大小与银河系的大小相当,这种5比1几乎是普遍的。即使是最大的恒星形成波也不能从星系中驱逐大量的物质。只有迅速穿过星系团的丰富环境,才能将正常物质从其家族星系中拉出来; 在星团外发现的星系应该是安全的。

这就是为什么NGC 1052-DF2出乎意料的原因。尽管它与银河系的物理尺寸相同,但它没有我们与自己的星系相关的任何特征。它不是螺旋形,没有圆盘,没有中心凸起,只有我们自己的星系拥有的恒星数量的0.5%左右。它也不是椭圆星系,所以它不仅仅是我们自己的不同类型。但这与我们在其内部发现的奇怪之处相比毫无意义。

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最近的球状星团到银河系中心的地图。最靠近银河系中心的球状星团的金属含量高于周边的星系团,而星团相对于彼此的相对运动告诉我们我们家族星系的质量含量和分布。WILLIAM E. HARRIS / MCMASTER U.和LARRY MCNISH / RASC CALGARY

在我们自己的银河系中,我们有超过100个球状星团在整个银河系中以光晕状扩散。这些物体大多是数十万到数百万颗恒星的星团,集中在半径只有几十光年的球形区域。在大多数情况下,它们在数十亿年前就形成了恒星,它们的恒星在内部移动,就像你对万有引力定律所期望的那样。在我们的银河系中,这些球状星团相对于彼此以每秒数百公里的速度移动,与银河系拥有大而大的暗物质光环一致。

然而,在NGC 1052-DF2中,故事有些不同。它有像你期望的球状星团。这些球状星团比我们自己的大一点,但这并不是一个惊喜。但令人惊讶的是,它们的速度大致相同。

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尽管存在许多其他大型星系,但巨大的椭圆星系NGC 1052(左图)占据了它所属的星团。在附近,一个名为NGC 1052-DF2(或简称DF2)的小型几乎不可见的超扩散星系似乎仅由正常物质组成。ADAM BLOCK / MOUNT LEMMON SKYCENTER /亚利桑那大学

这种观察看起来非常可疑。在任何星系中,内部物体在内部移动的速度与构成内部物体的整体引力质量之间应该存在关系。这种关系在很多方面表现出来,取决于你如何看待它。但也许最简单的就是从能量角度考虑它:潜力和动能之间存在平衡。

当你在一个星系中有一堆物体时,所有物体都以相同的整体质量拉扯,你会发现有些物体向你移动而有些物体远离你。你希望整体质量越大,向你移动的距离和离你越远的速度差异越大。天文学家有时将其称为速度分散,表示不同物体相对于彼此移动的?速度的分布。

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完整的蜻蜓场,大约11平方度,以NGC 1052为中心。放大显示NGC 1052的周围环境,插图中突出显示NGC 1052-DF2。这是来自van Dokkum等人的扩展数据图1。今年早些时候公布了DF2的发现。P. VAN DOKKUM ET AL。,NATURE VOLUME 555,PAGES 629 - 632(2018年3月29日)

在银河系中,球状星团之间的速度分散很大,整体射程约为±200-300 km / s,类似于银河系中心周围的太阳速度。但是在NGC 1052-DF2中,球状星团的运动非常小,就好像质量非常小,实际上没有暗物质的空间。

测量可能是错误的,但情况似乎并非如此。这些星系内部确实几乎没有暗物质,但这是一种违背理论预期的情景。在我们声称“测量结果错误”或“我们的理论错误”之前,重要的是要排除这些类型案例中最可能的罪魁祸首:测量结果是正确的,暗物质确实存在。

如果是这种情况,我们需要提出一种独立的方法来测量暗物质。

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如模拟所预测的,具有不同密度和非常大的漫射结构的块状暗物质晕,星系的发光部分用于比例显示。由于暗物质无处不在,它应该影响周围物体的运动。如果我们只测量其中的少数球状星团,则可能在其属性中存在偏差,这种方式不应该调查星系的所有内部星光。NASA,ESA和T. BROWN和J. TUMLINSON(STSCI)

有一种显而易见的方法,当星系仍然包含暗物质时,测量结果是正确的:如果我们观察到的球状星团移动并不代表星系中的物质实际上是如何移动的。从银河系深处,我们可以观察到均匀分布在整个银河系中的球状星团。但是,如果我们只发现位于距离NGC 1052-DF2中心轨道最远点的球状星团,它们就会偏向于人为的低速分散。

目前还不清楚为什么会出现这种情况,但在距离6500万光年的情况下,NGC 1052-DF2处于一个尴尬的距离:正好在哈勃可以解决个别恒星的极限。作为超漫射星系使得这种测量更具挑战性,但是通过在星系中收集许多光谱测量值并将它们全部加在一起,您可以测量星系内实际恒星的速度分布。

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M33的延伸旋转曲线,Triangulum星系。螺旋星系的这些旋转曲线将暗物质的现代天体物理学概念引入了一般领域。虚线曲线对应于没有暗物质的星系,其代表不到1%的星系。虽然通过球状星团对速度扩散的初步观察表明NGC 1052-DF2就是其中之一,但较新的观测结果令人怀疑。WIKIMEDIA COMMONS用户STEFANIA.DELUCA

与球状星团测量相比,这是对星系质量的更直接测量。通过测量所有恒星在内部的移动方式,我们可以更好地处理内部恒星相对于整个星系的运动方式。

我们提供了大量更连续的数据,而不是用于推断内部质量的几点测量。虽然球状星团表现出非常小的相对运动,表明质量很小,几乎没有暗物质,但我们做出了一个很大的假设:我们用少数球状星团进行的测量代表了内部恒星的运动。

而当科学家们有了这些测量,他们发现里面明星都彼此相对运动,毕竟。

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通过光谱测量星系NGC 1052-DF2中的星光,并确定恒星的不同区域如何相对于星系的整体运动在内部移动,能够测量到恒星的速度分散约16 km / s在这个星系中。E.EMSELLEM等人,提交给A&A(2018),ARXIV:1812.07345

这些结果是对这个超扩散星系内的恒星的第一次光谱分析,但毕竟表明存在速度分散。银河系的速度分散只有百分之几,速度为±16 km / s,但这对于超弥漫星系来说是正常的。根据星系内的恒星而不是仅仅是几个球状星团,您可以推断出更新的质量估计值,表明内部应该存在大量的暗物质。

即使只有±16 km / s的恒星的小速度色散,这足以让以前的“无暗物质”结果产生怀疑。此外,进行这些测量的团队还进行了两次额外的球状星团测量,并改进了另外五个测量值,这意味着总共12个星团的内部速度色散为±10.5 km / s。

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超漫射星系NGC 1052-DF2,由超大望远镜(VLT)上的MUSE仪器成像,以及在先前研究中用作代理测量的球状星团的位置。E.EMSELLEM等人,提交给A&A(2018),ARXIV:1812.07345

可以说星系有各种各样的形状,大小,密度和质量。尽管我们知道所有这些,但我们仍然在学习它们如何在宇宙中形成,进化和成长。但是每当你有一个令人惊讶的观察时,你需要检查的第一件事是,当你使用不同的方法进行观察时,它是否会导致你的结论。

这些新观察结果并不能证明暗物质存在,但它们确实消除了怀疑暗物质的主要原因。我们现在拥有的对象与同一类中许多类似对象的观察结果一致,而不是缺少宇宙解释的单个对象。NGC 1052-DF2是一个值得进一步研究的有趣对象,但它根本不可能没有暗物质。虽然观察始终是我们的指南,但这一结果强调了在绘制宏大的革命性结论之前独立验证您的工作的重要性。

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