銀河系發生了一些奇怪的事情。最近的測量表明，我們星系外圍的恆星行為異常。它們的速度遠低於其他星系中類似位置的恆星。對於銀河系恆星速度緩慢的一種可能的解釋是，我們的星系異常缺乏暗物質，這種看不見的物質被認為是宇宙結構的引力支架。另一種解釋是，我們對暗物質的核心概念——例如宇宙中存在多少暗物質——在某種程度上存在嚴重缺陷。
這個令人費解的問題源於歐洲空間局的蓋亞衛星，該衛星提供了關於銀河系中近20億顆恆星的速度和位置的無與倫比的資訊。去年，蓋亞團隊釋出了該太空望遠鏡迄今為止最精確的測量結果，促使天文學家重新評估他們對星系範圍內恆星行為的評估。幾個獨立的研究小組現在報告了銀河系外緣，即我們星系發光漩渦的周邊邊緣，恆星軌道異常緩慢的情況。
恆星速度提供了一種衡量星系質量的方法；每顆特定恆星感受到的引力取決於星系的總質量。一項基於蓋亞資料的研究於9月27日在《天文學與天體物理學》雜誌上釋出，該研究將我們星系氣體、塵埃、恆星和暗物質的總質量定為太陽質量的2000億倍——這對你我來說是巨大的，但大約比早期幾次評估中發現的質量少了五倍。由於銀河系可見物質沒有消失，因此解釋這一結果的一種簡單且特別發人深省的方法是，暗物質的漂浮量遠低於之前認為的水平。
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再說，衡量星系的質量是一項出了名的棘手業務，因此蓋亞的資料或新的分析中可能潛伏著錯誤，從而產生了銀河系異常苗條的錯覺。但是，多個團隊都看到了相同的結果這一事實為這些發現提供了更多的實質性證據。如果屬實，它們可能會迫使人們重新思考基礎物理學，並促使人們重新審視宇宙中的所有其他星系。
“讓我這樣說，”凱斯西儲大學的天文學家斯泰西·麥高夫說，他沒有參與最近的任何研究。“如果結果真是這樣，那將是革命性的。”
在20世紀70年代，天文學家維拉·魯賓和她的同事開始測量其他星系中的恆星運動。人們預計，星系外圍的恆星的軌道速度會比中心附近的恆星慢，就像海王星每165年繞太陽執行一週，而水星在88天內繞太陽執行一週一樣。然而，奇怪的是，魯賓和她的同事發現，外圍恆星的執行速度與其中心兄弟姐妹大致相同，這表明每個星系內部和周圍都存在大量的隱藏物質，引力拖拽著遙遠的恆星以提高它們的速度。這種看不見的物質，當時已被稱為暗物質，據推測形成了環繞星系的巨大光環，對於大型星系來說，其質量是可見物質的10倍，對於矮星系來說，則高達100倍。
在我們被困在銀河系內部的情況下，測量銀河系中所有物體的運動並非易事。因此，天文學家傾向於假設銀河系中的恆星行為與在其他星系中看到的恆星行為非常相似。太陽位於距銀河系中心約26,000光年的地方，以大約500,000英里/小時（800,000公里/小時）的速度繞其執行，對銀河系內外其他恆星的大多數觀測都支援了這樣一種觀點，即更遠處的恆星速度應與我們恆星的速度大致一致。
蓋亞衛星於2013年發射升空，透過航天器對銀河系中恆星的三維位置和運動的極其精確的測量，為這一簡單概念提供了迄今為止最好的測試。但是，這種測試是一個漸進的過程，因為蓋亞的計算精度與其觀測恆星樣本的時間長短同步提高。利用蓋亞，義大利恩里科·費米研究中心理論物理學家弗朗切斯科·西洛斯·拉比尼和他的同事幾年前就看到了銀河系恆星速度下降的微妙跡象。這些跡象在蓋亞最近的資料釋出（來自2022年）中變得更加明顯，該資料釋出將恆星運動的精度提高了一倍，高於2018年之前的版本。這些改進使天文學家能夠比以前更準確、更遠地繪製恆星的路徑。
僅今年一年，就有四篇不同的論文揭示了距銀河系中心10萬光年以外的恆星速度急劇下降。《天文學與天體物理學》雜誌最近的研究將這種下降稱為“開普勒式”，意思是它類似於在我們太陽系行星中看到的下降，我們太陽系行星的運動最早由17世紀德國天文學家約翰內斯·開普勒準確描述。
這一發現與所有預期背道而馳。除了一些小的偏差外，其他星系中恆星軌道的圖表始終顯示，從中心到邊緣的所有恆星都以相似的速度旋轉，就好像被暗物質的引力抓住一樣。“但就目前而言——這就是非常有趣的地方——我們沒有發現任何其他星系顯示出這種開普勒式下降，”巴黎天文臺的弗朗索瓦·哈默說，《天文學與天體物理學》雜誌最近研究的合著者。
從廣義上講，銀河系在所有星系中都是獨一無二的觀點與宇宙學的一項基本原則相矛盾，該原則認為宇宙中沒有任何特殊的地方。這些發現造成了更具體的難題，因為我們星系的推斷質量估計較低，為2000億個太陽質量。天文學家對他們對銀河系中可見物質的測量非常有信心，其質量約為600億個太陽質量。如果這兩個數字都是正確的，這意味著暗物質與普通物質的比率僅為2.3比1——遠低於類似大小星系中發現的10:1的比率。
鑑於對縮減版銀河系的認知來自幾項獨立的分析，一些研究人員認為，雖然這種下降可能是真實的，但它並不能代表我們星系的整體情況。更遙遠甚至超出蓋亞高精度探測範圍的恆星很可能表現出相應的速度上升，以抵消異常下降。“如果它一直這樣下去，我會感到非常驚訝，因為那樣會同時出現很多問題，”麻省理工學院的天體物理學家莉娜·內西布說，她是另一篇關於恆星速度下降的論文的合著者，該論文釋出在預印本伺服器arXiv.org上。
她的觀點得到了多條證據的支援。大麥哲倫星雲距離銀河系中心約16萬光年，是一個衛星星系，它以超過65萬英里/小時（一百萬公里/小時）的速度繞我們自己的星系執行——這個值與標準的暗物質模型一致。另一條證據來自恆星流——小型星系和星團的殘餘物，它們離銀河系太近，被其引力撕碎。這些恆星流延伸到很遠的距離，並提供了與更重的近似值一致的我們星系質量的估計。
還有一種可能性是，這些不同的團隊在某種程度上無意中誤解了他們的資料。在賓夕法尼亞大學，天文學家羅賓·桑德森在計算機上模擬銀河系，然後想象如果將虛擬蓋亞衛星放置在其中，會看到什麼樣的地圖。她說，任何這樣的圖都需要某些影響其結果的假設，例如星系暗物質分佈的總體形狀。“我的團隊研究了這些過於簡單的假設——每個人都知道這些假設過於簡單——如何導致奇怪的結果，即模型仍然描述了資料，但不一定與底層系統的現實相符，”她說。
桑德森沒有參與任何論文，她對從這些論文中得出確鑿的結論持懷疑態度。她指出，雖然蓋亞提供了無與倫比的3D資訊，但其恆星速度測量的不確定性隨著其在星系中向外看的距離而增加。
來自諸如維拉·C·魯賓天文臺（最初稱為大型綜合巡天望遠鏡，於2019年更名）等設施的未來資料有望找到銀河系外圍的恆星，從而幫助解決這場辯論。蓋亞的下一次釋出預計在2025年底，也可能提供更準確的資訊。哈默渴望更仔細地檢查其他星系，看看它們的恆星速度是否也可能顯示出與銀河系類似的下降。
對於麥高夫來說，這一事件代表了任何成熟研究界預期的正常、健康的動盪的一部分。“這需要一段時間才能穩定下來，但我認為我們會在這個過程中學到一些東西，”他說。內西布表示同意，並表示她發現當前的辯論比令人擔憂更令人興奮。“是的，這很奇怪，”她說，“老實說，這使得科學變得很酷。我喜歡事情變得奇怪的時候。”