就像池塘中的漣漪揭示了投擲的石頭一樣，被稱為暗物質的神秘物質的存在是透過其更廣泛的宇宙影響推斷出來的。天文學家無法直接看到它，但它的引力塑造了星系的誕生、形狀和運動。這使得去年的一項發現更加出乎意料：一個奇怪的彌散星系，似乎根本沒有暗物質。
即使一些研究人員對這一發現表示歡迎，另一些人也提出了質疑，批評對星系距離和運動的測量。風險很高：如果該星系確實缺乏暗物質，那將反過來支援物質存在的案例。現在，最初的團隊帶著額外的證據回來了，證實了他們最初的發現，以及新發現的第二個星系，它似乎也顯示出同樣的情況——或者更確切地說，是缺乏。曾經只有一個看似沒有暗物質的超彌散星系，現在看來，有兩個。“一個物體，你總是可以把它視為獨角獸而不予理會，但是一旦你發現兩隻獨角獸，你就會開始認為獨角獸可能存在，”德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學家邁克爾·博伊蘭-科爾欽說，他沒有參與這項研究。“然後你必須開始擔心它們是如何到達那裡的，它們的性質是什麼以及它們有多常見？”
尋找獨角獸
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這兩個星系非常微弱且遠離地球：來自它們稀疏恆星的光子在大約 6500 萬年前恐龍統治的末期開始傳播到地球。最初的星系，稱為 NGC 1052-DF2，大小與銀河系相當，但僅包含我們星系恆星的 1%。新的星系 NGC 1052-DF4 位於天空中的同一片區域，並且具有大致相同的大小和質量。（名稱“DF”來自他們使用蜻蜓長焦陣列進行的發現，該陣列專門用於探測微弱物體。）
去年三月，耶魯大學的莎妮·丹尼利和彼得·範·多庫姆領導的研究人員發表了一項研究，該研究透過觀察 NGC 1052-DF2 的星光以及環繞它的星團的運動來估算其大小。如果 DF2 包含的天文學家通常對這種星系期望的暗物質那麼多，那麼暗物質將提高這些星團的軌道速度。但是它們移動緩慢，這表明暗物質不存在。批評者反駁說，這些星團速度的計算不正確——並且，即使計算是正確的，也認為僅 10 個星團的樣本量太小，無法可靠地確定 DF2 的暗物質庫存。
接下來，在十月份，丹尼利著手使用不同的技術來解決這個問題。她使用了凱克宇宙網成像儀，這是一種新儀器，剛剛安裝在夏威夷凱克 2 號望遠鏡巨大的 10 米主鏡後面。該儀器可以測量來自非常微弱物體的光，解析度極高，使其成為研究超彌散星系（如 NGC 1052-DF2）的理想儀器。事實上，該儀器非常出色，以至於丹尼利不再需要研究星團運動來推斷星系的質量。相反，她可以直接透過星系的光來獲得質量。
就資訊而言，星光包含多種資訊。透過將光分解成其組成顏色（一種稱為光譜學的實踐），科學家可以確定恆星的組成、年齡、在宇宙中的方向和速度。大部分資訊都體現在光譜線中——由於各種化學元素的發射或吸收而嵌入恆星光譜中的線性特徵。凱克儀器測量了 DF2 星系中大約 1000 萬顆恆星的光譜。星系中最快和最慢恆星之間速度範圍的大小可以瞭解有多少物質與它們相互作用。存在的物質越多——暗物質或其他物質——恆星速度的範圍就越大。“令我們自己驚訝的是，我們測量了非常窄的[光譜]線，這為除星系中恆星貢獻的質量之外的更多質量留下的空間非常小，”丹尼利說。沒有暗物質的空間。
與此同時，歐洲南方天文臺的埃裡克·埃姆塞萊姆和同事們正在使用智利阿塔卡瑪沙漠的甚大望遠鏡仔細研究該星系。他們也發現了低速度彌散，這支援了暗物質缺失的情況。
法國斯特拉斯堡大學的天文學家尼古拉斯·馬丁是最初論文的批評者之一。在去年發表的後續工作中，他認為根據周圍星團的運動來估計 DF2 星系的質量太困難了。但馬丁表示，他對丹尼利和埃姆塞萊姆的最新結果感到放心。“這僅僅歸功於最近安裝在地球上最大望遠鏡上的全新儀器，這才是可行的。老實說，一年前我還不清楚這是否可行，”他指出。“一年前，我還沒有準備好說這個系統一定是奇怪的，因為我覺得測量結果並沒有完全得到資料的支援。但是現在有兩個不同的團隊已經測量了恆星本身的速度範圍，我認為很明顯這是一個怪異的系統。”
丹尼利在一月份在普林斯頓大學舉行的暗物質會議上介紹了她的新發現，並已將其提交給《天體物理學雜誌通訊》進行同行評審發表。
在另一篇論文中，她描述了 DF4 星系，她和幾位同事去年使用哈勃太空望遠鏡對其進行了觀測。透過檢查繞 DF4 執行的七個星團，丹尼利和她的同事發現它們移動緩慢，表明星系中幾乎沒有或根本沒有暗物質。她表示，DF2 和 DF4 在天空中的同一片區域近乎背靠背的發現共同表明，存在一整類這種缺乏暗物質的星系。
尋找缺失的物質
幾位天文學家正在撓頭思考，這樣的星系最初是如何形成的，以及暗物質去了哪裡。博伊蘭-科爾欽說，一種可能性是附近更大的星系的引力剝離了暗物質。或者 DF2 和 DF4 可能根本不是星系，而只是一些偽裝成星系的適度恆星集合；在這種情況下，這些孤立的恆星群可能形成於從另一個位置流出的碰撞氣體噴流。或者可能存在更平淡的場景，例如星系相對於地球的方向不利於獲得對其運動的準確光譜測量，馬丁說。“我對這個系統有點矛盾。它肯定很有趣，需要解釋，但很可能解釋非常平凡，而且只是角度不對或類似的東西，”他說。
有一點是明確的：如果超出合理懷疑地得到證實，這些星系缺乏暗物質將最終表明這種物質可以與恆星、氣體、塵埃和其他普通物質分離，並將進一步支援暗物質存在的案例。
迄今為止，儘管經過數十年的熱切搜尋，但沒有人明確地探測到暗物質。缺乏證據導致一些天體物理學家尋找替代方法來塑造星系並支配它們的運動，方法是開發諸如“湧現引力”和“修正牛頓動力學”之類的假設類別。這些想法的支持者認為，大多數天文學家歸因於暗物質的塑造可能實際上是一種現象，這種現象源於我們尚無法理解的物理學。但如果真是這樣，這些條件將普遍存在。像 NCG 1052 DF2 和 DF4 這樣的星系也將受到這些替代引力的影響——而這些理論需要以某種方式解釋這些銀河系的異常現象（而它們目前並沒有這樣做）。因此，這些星系本身的獨特性表明這些替代方案是錯誤的，暗物質必定是原因。
凱斯西儲大學的天文學家斯泰西·麥高夫是某些暗物質替代方案的支持者，他指出，埃姆塞萊姆的速度彌散測量值幾乎是丹尼利的測量值的兩倍。“我們不得不說的宣告是，我們仍在等待這個問題塵埃落定。我希望看到資料是一致的，”他說。“但它與僅有恆星而沒有暗物質的情況一致，這使得它非常有趣。接下來你必須問的是：這是怎麼發生的？這是一種內在屬性嗎，只是存在這樣的星系？我自己的感覺是否定的。”
更明確的答案可能很快就會出現；丹尼利說，該團隊現在正在尋找其他沒有暗物質的矮星系。“這些物體可能告訴我們一些關於暗物質性質的資訊，但現在下結論還為時過早。這當然是我們的希望，但我們首先需要找到更多物體並更詳細地研究它們，”她說。