星系不僅僅是發光的恆星聚集體。對於現代天體物理學家來說，星系更引人注目的是其黑暗面：其隱藏物質只能透過其對閃亮物質的引力來“看到”，而且似乎遠遠超過閃亮物質的重量。所謂的暗物質與恆星和氣體一樣，是星系的定義特徵，被認為是星系組裝和生長的引力種子。
一個沒有暗物質的星系——或者沒有某種能夠模擬暗物質行為的奇異引力效應——確實是一件非常奇怪的事情。 找到這樣的東西就像發現有煙但沒有火，有果但無因。然而，這正是耶魯大學天文學家 Pieter van Dokkum 和他的同事們剛剛發現的，他們在 3 月份發表在《自然》雜誌上的一項研究中報告了這一發現。
這個名為 NGC 1052-DF2 的星系距離我們約 6500 萬光年。它幾乎與銀河系一樣大，但屬於“超彌散”星系，這意味著它僅包含我們星系中恆星數量的極小一部分——在本例中僅為 1%。恆星的稀疏意味著它看起來不太像典型的旋渦星系，而更像是由星點氣體和塵埃組成的鬆散連線的幽靈狀斑點。如果它包含的暗物質數量與同等大小的星系典型暗物質數量相當，那麼暗物質的引力將加速圍繞它的幾個星團的運動。相反，van Dokkum 的團隊發現這些星團圍繞 NGC 1052-DF2 緩慢移動，這表明該星系內可能幾乎沒有或根本沒有暗物質。這表明暗物質不僅可以與普通的可見物質分離，還可以與整個星系分離——這是天文學家迄今為止從未見過的現象。
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阿姆斯特丹大學的理論物理學家 Erik Verlinde 說：“如果確實存在一個幾乎沒有任何暗物質的星系，我認為這對所有關於星系形成的理論來說都是一個問題。”他曾提出暗物質主導引力的替代方案，但並未參與這項研究。“即使你相信修改後的引力理論，你也會期望看到一些與此處觀察到的情況不同的東西。這對幾乎所有現有的理論來說都是一個問題。”
暗物質從未被直接看到或測量過，因為它不發光。它的存在是透過它對周圍任何正常物質施加的引力推斷出來的。天體物理學家認為，暗物質的引力對於形成宇宙的大尺度結構（星系團的絲狀結構和片狀結構）至關重要，科學家甚至已經測量了暗物質團塊如何充當引力透鏡，放大來自遙遠背景星系的光。然而，一些物理學家假設根本不存在暗物質，我們所感知到的巨大、彎曲星光的重型隱形物質團塊實際上是其他我們完全誤解的東西。
超彌散星系於 2015 年才被發現，被認為是特別有用的宇宙實驗室，可用於理解暗物質。天文學家當然認為，暗物質一定在形成這些缺乏普通恆星物質的天體中發揮作用。這種想法促使 van Dokkum 和他的同事們建造了 Dragonfly Telephoto Array，這是一架位於新墨西哥州的望遠鏡，專門用於仔細觀察超彌散星系。研究人員最初使用 Dragonfly 研究了另一個星系，該星系似乎擁有幾乎難以置信的巨大暗物質數量，這本身就是一個奇怪的結果。當 van Dokkum 和他的團隊發現 NGC 1052-DF2 時，他們期望看到類似的東西。
van Dokkum 說：“相反，我們看到了相反的情況，得出了這個非凡的結論，即這個天體實際上根本沒有暗物質的空間。” “這不是我們正在尋找或期望的東西。完全不是。但是你要朝著資料引導你的方向前進，即使它與你之前發現的相矛盾。”
在 Dragonfly 影像中，NGC 1052-DF2 看起來像一個標準的超彌散星系。但是，當團隊將它們與斯隆數字巡天獲得的更好影像進行比較時，他們發現了一個令人驚訝的不匹配之處。在 Dragonfly 的視野中似乎是昏暗的基本星系結構，在斯隆影像中卻顯示為點狀光源。為了解決這種差異，該團隊使用哈勃太空望遠鏡、W.M. 凱克天文臺和雙子座天文臺（後兩者位於夏威夷莫納克亞山）仔細觀察了這個星系。
點狀光源被證明是 10 個球狀星團——圍繞星系核心執行的緻密球形恆星群。然後，研究人員著手測量星團的運動，以此來估計星系的總質量。簡而言之，星團圍繞星系執行的速度與星系包含的物質（普通物質或暗物質）的數量有關。利用來自凱克望遠鏡的資訊，該團隊發現球狀星團的移動速度比預期的要慢得多。
將星團的運動和 NGC 1052-DF2 的質量相加，他們意識到在這個特殊的星系幕布後面可能沒有暗物質。所有星團的運動都可以僅用星系觀測到的恆星質量來解釋。
然而，德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學家 Michael Boylan-Kolchin 說，這些測量結果可能並不完善，他沒有參與這項新研究。“另一種可能性是，球狀星團，或者他們認為是球狀星團的天體，實際上並沒有像他們認為的那樣測量總質量，”他說。“關鍵是要看球狀星團是否真的能追蹤整個星系的質量。”
假設結果是正確的，那麼有幾種理論可以解釋像 NGC 1052-DF2 這樣的星系如何在不受暗物質隱藏之手影響的情況下聚集在一起。可能是 NGC 1052-DF2 曾經是一團平靜的氣體，最近受到了附近另一個看不見的星系的擾動，從而引發了恆星形成。或者，van Dokkum 推測，也許這個超彌散、無暗物質的星系是由兩股碰撞並壓縮形成分散恆星的氣流產生的。另一個想法，由當時的耶魯大學天文學家 Priyamvada Natarajan 在二十多年前首次提出，表明像 NGC 1052-DF2 這樣的星系可能由星系大小的氣體團塊在饕餮盛宴的超大質量黑洞噴射出的噴流中聚集在一起形成。NGC 1052-DF2 確實位於可能發生此類事件的區域，靠近一箇中心有一個超大質量黑洞的巨型橢圓星系。
或者，在沒有任何直接暗物質探測的情況下，一些理論家認為暗物質的存在是虛幻的——而另一些東西驅動著星系的演化和引力透鏡效應。有些人提出調整艾薩克·牛頓首次編纂的運動定律，發展出一類競爭理論，稱為修正牛頓動力學 (MOND)。最近，Verlinde 提出了一種稱為“湧現引力”的替代方案，其中引力是量子漲落和暗能量（另一種鮮為人知的現象，似乎正在導致宇宙加速膨脹）的副產品。
在一個悖論式的轉折中，這種轉折使天體物理學變得特別，NGC 1052-DF2 缺乏暗物質對於整個理論來說可能是一件好事。 那是因為即使暗物質不是真實的，暗示其存在的觀測結果也是真實的。如果大尺度宇宙受引力的細微改變或暗能量的波動力場支配，那麼這些效應將不會區分對待，並且會在所有星系（包括 NGC 1052-DF2）中顯現出來。然而，在這個奇怪的星系中，看不到這些奇異效應的預計特徵。
van Dokkum 說，在這裡，“暗物質的缺失是其存在的證據”。 “這是不可避免的。它可以存在於星系中，也可以不存在於星系中，但它不是一個場，也不是某種替代物，而是一種物質的表現形式。”
Verlinde 不同意這個新星系否定了他的想法或 MOND。 “我確實相信不需要新增暗物質來解釋這些觀察結果。引力的作用方式可能與愛因斯坦和牛頓所說的有所不同，但我們不要立即得出結論，”他說。“我認為現在下結論還為時過早。”
後續觀測，包括更詳細的球狀星團檢視，應有助於天文學家解決這個問題，並更好地瞭解這些星團與星系的關係。 正在建設中的未來天文臺，例如位於智利阿塔卡瑪沙漠的歐洲極大望遠鏡或 NASA 的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，應該能夠進行此類測量。
斯坦福大學的天文學家 Risa Wechsler 說：“我們如何得到如此大小的氣體雲，它能夠形成星系，能夠擁有足夠的引力？”她沒有參與這項新研究。“毫無疑問，這很有趣。這太奇怪了。”