天文學家又發現了一個幽靈星系，它似乎缺乏暗物質。研究人員已經報告了幾次這樣的觀測，每次都標記出所謂的超彌散星系，這些星系可以像銀河系一樣大，但恆星相對稀少。這個最新的天體，被稱為 AGC 114905，大小與我們自己的螺旋星系相似，但恆星數量卻少了 1000 倍。如果 AGC 114905 真的被證實沒有暗物質，宇宙學家將被迫重新審視，甚至可能放棄他們一些最珍視的理論，轉而尋求更奇特的解釋來解釋構成宇宙中看不見的質量的物質。
格羅寧根大學（荷蘭）的 Pavel E. Mancera Piña 說：“不同型別的星系並不完全相同，使用不同的技術測量，但似乎都在講述一個有些相似的[故事]”，他是研究 AGC 114905 團隊的成員。
這個故事講述的是不符合星系規範的異常值和落後者。“如果這些奇怪的天體最終能為我們提供關於暗物質本質的資訊，那就太棒了，”耶魯大學天文學家 Pieter van Dokkum 說。
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星系際暗物質搜尋
缺乏暗物質的星系是令人厭惡的，尤其因為對似乎擁有大量暗物質的星系的研究，正是這些研究使天文學家提出我們的宇宙充滿了暗物質。例如，附近仙女座星系中恆星和氣體的繞星系中心旋轉速度表明，必須存在比肉眼所見的更多的物質，從而提供保持可見物質在軌道上執行所需的引力。
這些觀測導致了宇宙學的 Lambda-CDM (LCDM) 模型，其中 Lambda 指的是暗能量，CDM 指的是冷暗物質，據認為冷暗物質約佔宇宙的 27%。（“冷”在這裡僅僅意味著假定的暗物質粒子比光速慢得多。）使用冷暗物質進行的模擬在複製星系大規模聚集以及宇宙微波背景輻射（大爆炸後約 38 萬年的遺留光）中看到的模式方面非常成功。但是，這些模擬對星系尺度的活動的預測已被證明在某種程度上更難與天文觀測結果相協調。
在 LCDM 模擬中，星系形成於早期宇宙中密集的暗物質團塊充當引力“種子”時，吸入更多的暗物質以形成巨大的暈圈，然後大量氣體凝聚到暈圈上，誕生了恆星。因此，根據 LCDM 模型，所有星系都應該擁有大量的暗物質，其中大部分都集中在星系中心。但是，即使在發現這些表面上沒有暗物質的超彌散星系之前，對圍繞銀河系執行的矮星系的研究表明，這些小型衛星缺乏模擬預測的明顯的中心暗物質“尖峰”。這些矮星系中的暗物質分佈更平滑，形成了一個更寬的“核”而不是中心的一個尖銳的尖峰。
蜻蜓的發現
2018 年，van Dokkum、Shany Danieli 及其同事進一步混淆了局面，他們發現了一個名為 Dragonfly-2 (NGC 1052-DF2) 的超彌散星系。研究人員使用蜻蜓長焦陣列發現了 Dragonfly-2，這是一種旨在觀察夜空中大型且極其微弱的天體的儀器。他們很快又發現了另一個名為 NGC 1052-DF4 的星系。van Dokkum 和他的同事使用一系列望遠鏡，包括哈勃太空望遠鏡 (HST) 和位於夏威夷莫納克亞山頂的凱克天文臺的 10 米級望遠鏡，測量了與這些星系相關的星團的速度。從這些速度中，他們推斷出每個星系的總質量，發現正常物質（在本例中主要是恆星）足以解釋觀測結果。幾乎不需要或根本不需要暗物質。
許多外部專家對此表示懷疑。“在我們的案例中，存在很大的爭議，”van Dokkum 說。爭議源於他們對這些星系距離地球有多遠的測量存在不確定性，這有助於限制它們包含多少發光的正常物質。簡而言之，星系的視亮度不僅受到宇宙距離的影響，還受到其恆星種群特徵的影響。最初的估計將蜻蜓的奇特配對放在大約 20 兆秒差距的距離上——也就是說，超過 6500 萬光年。但是，如果星系反而相當近——可能只有 13 兆秒差距而不是 20 兆秒差距，正如一項後續研究表明的那樣——它們明顯的亮度可以透過較少量的發光正常物質來更好地解釋。那麼，相關星團的速度將需要在 NGC 1052-DF2 和 NGC 1052-DF4 中都需要更大比例的暗物質。
但在 2021 年 4 月，van Dokkum 的團隊釋出了對這兩個異常星系的深入 HST 研究結果，表明他們最初的較大距離估計是正確的。如果有什麼不同的話，那就是星系更遠了一點，這使得幾乎沒有或根本沒有暗物質的情況更加有力。“這說服了人們，坦率地說，也說服了我們自己，”van Dokkum 說。
對於 NGC 1052-DF2 和 NGC 1052-DF4，或 DF2 和 DF4，證據很明確：這兩個星系都缺乏暗物質。但是，由於兩者都位於一個名為 NGC 1052 的巨大橢圓星系附近，因此解釋可能很簡單：它們的暗物質可能已被這個巨大的伴星的引力“潮汐剝離”，只留下正常物質。
一些天體物理過程可能會加速這種結果。2021 年 3 月，安大略省麥克馬斯特大學的天體物理學家 Reina-Campos 和他的同事展示了早期宇宙中形成的某些型別的小型、緻密的暗物質暈如何在新星系中心附近產生巨大的大質量恆星團。隨著這些恆星在爆炸性的超新星中消亡，由此產生的星風和衝擊波會將暗物質從星系中心驅逐出去。“這將最終擴大[暗物質]暈圈，在中心建立一個核，並降低其濃度，”Reina-Campos 說。再加上潮汐剝離，DF2 和 DF4 就不再那麼神秘了。
六個奇怪的單例星系
但是，新發現的天體 AGC 114905 為這個複雜的宇宙故事增加了一個全新的轉折。2019 年，Mancera Piña 和他的同事報告了他們使用新墨西哥州的甚大陣列 (VLA) 射電望遠鏡發現的六個富含氣體的超彌散星系。VLA 的觀測表明，這些星系中的氣體雲的軌道速度遠低於如果星系含有典型數量的暗物質時的預期速度。最初的低解析度測量表明，雲的速度可以用僅存在正常物質來解釋。此外，與 DF2 和 DF4 這對星系不同，這些星系中的每一個都是單例星系，孤立且遠離任何可能剝離暗物質的其他宇宙天體。其他天文學家對此很感興趣，但仍然持懷疑態度，因為 VLA 的觀測結果不夠有力，無法支援明確的結論。“每個人都在說，‘好吧，但現在你需要更好的資料才能完全說服我們，’”Mancera Piña 說。
AGC 114905 是該團隊選擇進行深入研究的六個星系之一。Mancera Piña 和他的同事使用 VLA 的高解析度配置對該星系進行了 40 小時的觀測。此前，他們透過觀察沿其半徑兩個位置的氣體速度來研究星系的自轉；這次他們觀察了五個位置。結果沒有改變。“觀測表明，沒有暗物質的空間，”Mancera Piña 說。
對 AGC 114905 的最新觀測結果也與修正引力理論（例如修正牛頓動力學 (MOND)）的預測不符。這些理論試圖在不求助於暗物質的情況下解釋星系中恆星和氣體的運動。“[MOND] 直接告訴你星系應該如何旋轉，”Mancera Piña 說。“這個預測完全偏離了我們的值。”
凱斯西儲大學的天文學家和 MOND 的長期支持者 Stacy McGaugh 對此並不信服。“這是一個星系。因此，用它來做出強烈的宣告——他們聲稱要證偽 LCDM 和 MOND——是誇大其詞了，”他說。“星系的正常行為是確定的。這是一種異常現象，更有可能是由於系統性不確定性而不是真正的物理效應造成的。”
可疑的傾角
Mancera Piña 和他的同事承認，他們觀測中最大的不確定性來源是他們對星系整體形狀及其傾斜角度的估計——它相對於我們的宇宙視線傾斜了多少。這個角度對估計遙遠星系內部物體的旋轉速度具有超大的影響。由於技術原因，天文學家目前只能測量星系的恆星和氣體朝向或遠離我們的速度；對於遙遠的星系，任何在天空平面上的橫向運動都無法辨別。正面朝上的螺旋星系（傾角為零）基本上不會產生關於其恆星速度的資訊，而側面朝上的星系（傾角為 90 度）將允許非常精確地測量恆星速度。因此，準確估計星系的傾角至關重要。
該團隊認為 AGC 114905 是圓形的，並估計其傾角約為 32 度，正負 3 度。然而，Mancera Piña 說，“如果你想讓 MOND 和冷暗物質都起作用，那麼傾角需要約為 10 度，因此星系需要看起來更圓。我們已經儘可能仔細地測量了這一點。我們發現，我們測量的相關不確定性與 10 度相差甚遠。”
如果關於星系圓形形狀的假設是錯誤的——因為它呈橢圓形或變形或具有其他奇怪的形狀——那麼這也將影響傾角估計，從而影響恆星和氣體的估計速度。“這是一種總是導致人們高估傾角的系統性誤差，”McGaugh 說。
van Dokkum 說，使用光學望遠鏡而不是基於射電的 VLA 研究星系將有助於減少不確定性。“我希望有人能獲得該天體的哈勃影像，”他說。“這樣我們就可以看到它實際的樣子了。”與此同時，Mancera Piña 和他的同事計劃使用高解析度的 VLA 來仔細檢查他們最初研究中的其他五個超彌散星系，這些星系也顯示出類似的特徵。
法國斯特拉斯堡天文臺的天文學家 Benoit Famaey 認為，應該研究更大的此類星系樣本，以排除因不完美的傾角測量而產生的任何系統性偏差。“我們有充分的理由懷疑傾角測量，這是結果的關鍵，”他說。“因此，我們應該等待更大樣本量的這種假定的星系群，然後再將我們目前的所有星系形成理論扔進垃圾桶。”
不過，他承認，如果結果得到證實，其影響將是巨大的。“假設它成立，作者完全有理由認為它對 LCDM 和 MOND 都構成了問題，”Famaey 說。
如果這種情況真的發生——這是一個很大的假設——那麼重點將轉移到暗物質的其他候選者身上。這是因為對 DF2 和 DF4 的首選解釋——它們不知何故被剝奪了冷暗物質——不適用於 AGC 114905，因為它在太空中是孤立的。
暗物質多樣化
冷暗物質的一個有希望的替代方案是所謂的自相互作用暗物質 (SIDM)。在 LCDM 模型中，暗物質被認為是無碰撞的，這意味著它不與自身相互作用。但是，如果暗物質粒子可以經常碰撞並相互作用，這可能有助於解釋在不同星系中觀察到的暗物質分佈的多樣性。
在 2019 年發表的一項研究中，加州大學爾灣分校的 Manoj Kaplinghat、加州大學河濱分校的 Hai-Bo Yu 及其同事表明，自相互作用暗物質將重新分配動能，從星系暗物質暈圈的外部區域到其內部區域，在宇宙學時間尺度上。暗物質粒子之間的碰撞平均會增加靠近星系中心的粒子的速度，使它們逐漸向外擴散，從而將暗物質密度分佈從尖峰轉變為核。該團隊表明，斯皮策光度測定和精確旋轉曲線 (SPARC) 資料集中捕獲的不同型別星系內恆星軌道速度的觀測結果，用自相互作用暗物質模型比用 LCDM 模型能更好地解釋。
2020 年，Yu 和他的同事表明，自相互作用暗物質可以增強潮汐剝離效應，據推測潮汐剝離效應已從 DF2 和 DF4 中移除了神秘物質。“自相互作用的效果是將暗物質從星系的內部區域推到外部區域，”Yu 說。一旦發生這種情況，像 NGC 1052 這樣的附近龐然大物就可以接管，從 DF2 和 DF4 的外部區域虹吸走暗物質。如果假設是無碰撞冷暗物質，則同樣的情況不太可能發生。
但是，鑑於 AGC 114905 沒有附近的鄰居來解釋其可能缺乏暗物質的原因，Yu 和 Kaplinghat 以及 Mancera Piña 及其同事正在嘗試看看從不同的初始暗物質暈圈（與 LCDM 中通常假設的不同）開始是否可以提供一些答案。模擬丟擲了許多型別的暗物質暈圈，宇宙學家將最有可能的暈圈型別作為進一步分析的基礎。但是，星系形成可能從其他型別的暈圈開始，這些暈圈具有不同的暗物質分佈。“我們正在探索一些暗物質暈圈……以前沒有人探索過。我們看到了一些有希望的訊號，”Yu 說。“我們將研究 CDM 和 SIDM 框架中的‘無暗物質’超彌散星系，以瞭解哪一個與觀測結果更吻合。”
牛津大學的 Subir Sarkar 贊同使用任何和所有方法來理解暗物質。“暗物質的理論候選者範圍非常廣泛，到目前為止，我們幾乎沒有來自加速器實驗或直接或間接搜尋的指導，來縮小可能性，”他說。“任何表明暗物質具有自相互作用的跡象都非常有趣，因為這立即反駁了像 [CDM] 這樣的流行候選者……以及 MOND。因此，這些觀測的重要性以及更好地理解具有這種非標準暗物質的星系形成的需求怎麼強調都不為過。”