「這應該是不可能的」科學家發現不含暗物質的神秘星系

by:時時
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抬頭仰望星空,除了一閃一閃亮晶晶的星星之外,科學家們相信宇宙中還有很多眼睛看不到,卻帶有質量的「暗物質」,才能讓宇宙萬物維持著一定的平衡。然而,最近一份新的研究發現可能會打破一直以來,科學界對於暗物質的認知。

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圖為上個月 28號,NASA拍攝到的DF2星系。科學家們最近發現,DF2星系裡幾乎沒有暗物質的存在,這項新發現打破了以前科學家對於暗物質的理解。

路透社

眼睛看不到卻帶有質量

科學家們認為,宇宙中存在著一種肉眼看不見卻帶有質量的「暗物質」(dark matter),這種暗物質佔了整個宇宙 80%的質量。他們相信,暗物質是為了宇宙中萬物之間的引力而存在的。

少了暗物質  銀河系就會毀滅

以我們身處的銀河系(Milky Way)來說,因為銀河系旋轉的速度太快了,如果缺少了暗物質和肉眼看得到的星體之間產生引力相互作用,依據物理學定律,我們的銀河系馬上就會因為轉速太快而解體。

事實上,銀河系的暗物質比肉眼看得到的普通物質(ordinary matter)在整體的質量上多了 30倍。

整個宇宙應該都有暗物質

過去在科學家觀測的星系中,他們都能從中找到一些蛛絲馬跡,進而發現暗物質的存在。

但在上周三(28號),《Nature》上一篇新的論文指出,研究團隊發現了一個幾乎不含暗物質的星系。他們相信,這個發現可能大幅改變人們以前對於宇宙的想法。

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圖為美國夏威夷州的凱克天文台,科學家們這次就是在這裡進行DF2星系的觀測。

Photo: Kirk Crawford

只是想觀察超稀疏星系

耶魯大學物理學家杜坎(Pieter van Dokkum)表示,他們一開始只是想利用美國夏威夷州凱克天文台(W. M. Keck Observatory)的大型天文望遠鏡來觀察「超稀疏星系」(ultra-diffuse galaxy),而選擇了距離地球 6,500萬光年遠的「NGC 1052-DF2」(以下簡稱DF2星系)。

DF2星系在 2015年被定為「超稀疏星系」,它和我們所在的銀河系大小相近,但相對於銀河系有 1千億顆恆星,DF2星系卻只有 4億顆恆星。

星團的重量加起來剛好

研究團隊發現,DF2星系只有很少量的恆星,而且這些恆星幾乎都集中在幾個非常明亮的星團(clusters)裡。

當研究團隊開始研究這些星團時,他們發現這些星團的重量加起來,幾乎就和整個DF2星系一樣。

這也意味著DF2星系可能不存在肉眼看不到、卻帶有質量的暗物質。

這支影片是哈伯望眼鏡從鯨魚星座(Cetus)開始,最後定格在DF2星系的影像。

從相對速度來找暗物質

由於暗物質從肉眼無法直接觀測得知,理論上,根據愛因斯坦的相對論,因為暗物質帶有質量,質量和重力場之間可以相互影響,科學家就能從量測星體間的相對速度,來找到這些看不見的暗物質質量。

具體來說,假如DF2星系中存在著肉眼看不見的暗物質,當DF2星系和我們的銀河系一起在宇宙中移動的話,就能發現DF2星系的光走得比我們快,或比我們慢。

速度幾乎一樣

然而,這次的研究卻發現DF2星系在宇宙中移動的速度,幾乎和位於銀河系的我們一樣。

根據我們和DF2星系之間的相對速度,研究團隊的杜坎指出:「和其他亮度相同的星系相比,它(DF2星系)的暗物質數量比我們預期的少了 400倍。」

「這應該是不可能的」

研究團隊的加拿大多倫多大學天文學家亞伯拉罕(Roberto Abraham)表示,一般而言,這麼大的銀河理論上應該存在著相對於一般物質質量 30倍以上的暗物質,但這次的發現卻完全找不到暗物質存在的跡象。

亞伯拉罕說:「這應該是不可能的。」

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圖為天文學家正在比對DF2星系的光波長,科學家能夠從波長的變化換算得出星系移動的相對速度。

Photo: Zora Milo

目前技術仍不足

薩里大學(University of Surrey)的物理學家柯林斯(Michelle Collins)解釋道,距離星系越遠,星體越少,暗物質越多。

她表示,這意味著DF2星系可能有著不一樣的機制,來讓結構可以穩定存在於宇宙之中。

柯林斯強調,除了DF2星系之外,宇宙中可能還有其他星系也有著其他我們無法解釋的現象。她也說,以現階段的科學技術來說,宇宙中還有很多昏暗、微小的東西沒有辦法被我們觀察到。

暗物質存在的證據

北卡羅來納州立大學(North Carolina State University)的天文學家馬克(Katherine Mack)博士相信,這項發現意味著暗物質是真實存在於宇宙之中的。

她認為,這次的發現證明了暗物質不一定要和普通物質一起出現,暗物質可以存在、也可以不存在的性質,正好證明了暗物質是一種真實存在的物質,而不是科學家為了滿足理論上的計算,而想像出來的東西。

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圖為 2017年,一位藝術家為A2744_YD4星系繪製而成的想像圖。宇宙中有著各式各樣的星體、星系,還有很多人們未知的領域正在等待我們發現。

路透社

兩年前曾找到正好相反的例子

杜坎表示,他和他的研究團隊會繼續尋找宇宙中還沒有類似的星系,或其他「奇怪的」現象。

他說,他們曾在 2016年發現一個和DF2星系正好相反的例子:有一個轉速非常快的星系,幾乎是由 99.99%的暗物質所組成的——然而,他們還無法確知這兩種正好相反的星系究竟是怎麼形成的。

「對暗物質的理解太少了」

對於這次的研究發現了存在不含暗物質的星系,而且極有可能推翻科學家過往對於暗物質的想像,杜坎坦言:「我們對於暗物質的理解太少了」,他也很歡迎大家一起提出看法,進行更多探究。


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參考資料:
01 Scientists puzzled by exotic distant galaxy lacking dark matter
02 Ghostly galaxy may be missing dark matter
03 THE CASE OF THE MISSING DARK MATTER
04 Scientists Discover Galaxy With No Dark Matter, Which Ironically Proves That Dark Matter Is Real