那个把暗物质弄丢了的星系

人类称过重量的每一个星系，都藏着同一种秘密配料。在每一个星系的深处——把恒星拢在一起、让整个旋转的结构不至于飞散开来的——是一大团谁也看不见的东西。天文学家管它叫暗物质，将近一个世纪以来，它一直是宇宙看不见的脚手架。它的量总是远远多于普通物质。一直都是。

然后，2018 年，一支团队宣布：他们找到了一个几乎一点都没有的星系。

它的名字叫 NGC 1052-DF2。这个结果读起来就像在自相矛盾——一个星系，竟然缺了那个据说让星系之所以能存在的东西。紧接着，旁边又冒出来一个「亲戚」。后面发生的事，成了现代天体物理学里最热闹的争论之一，而且其中很大一部分，至今仍然没有答案。

我们真正知道的事

先从这个星系本身说起，因为它还没等你去量，就已经够怪了。NGC 1052-DF2 是「超弥散」的：宽度跟银河系差不多，可恒星撒得稀稀拉拉，稀到你能一眼穿过它，看见它另一头那些遥远的星系。它位于鲸鱼座方向，挂在椭圆星系 NGC 1052 的旁边。

重磅炸弹来自 Pieter van Dokkum 和他的同事，发表在 2018 年的《自然》（Nature）上，论文标题一点都不绕弯子：《一个缺乏暗物质的星系》（van Dokkum et al. 2018, Nature）。他们是这么干的。他们测了大约十个明亮球状星团——一团团密密麻麻的恒星——在 DF2 内部绕行的速度。在一个同等大小的正常星系里，暗物质额外的引力本该把这些星团甩得飞快，每秒几十公里。结果呢，它们彼此之间几乎纹丝不动。沿视线方向的速度弥散度低得出奇，后来被精确定到大约 σ ≈ 7.8 公里/秒（Haghi et al. 2019, MNRAS）。

算一算，结论简单得不留情面。要解释这种慵懒、温吞的运动所需要的质量，正好等于这个星系可见恒星的质量——再多一点都不要。它的暗物质含量，算出来跟「极少或者根本没有」是一致的。我们说的是：对一个这种大小的天体，它比星系形成模型要求的量，少了好几百倍。

这实在是太离谱了，简直就是在求人来质疑它。而质疑，催生了第二个发现。2019 年，同一支团队在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上报告了 NGC 1052-DF4——同一个星系群里的另一个超弥散星系（Danieli et al. 2019, ApJL）。这一次，他们用 W. M. 凯克天文台的低分辨率成像光谱仪，追踪了七个球状星团——结果速度又一次跟这个星系单凭普通物质所对应的数值对上了（Keck Observatory）。一个怪胎星系，可能是偶然。但同一片街区里出现两个几乎一模一样的怪胎，那就像是个规律了。

接下来这个反转，把整件事变得意外地暖心。一个「能够」在没有暗物质的情况下存在的星系，反过来，恰恰是暗物质真实存在的证据。你想想看：如果「暗物质」真的只是我们对引力运作方式的误解，那你根本不可能造出两个看起来完全正常、却偏偏就是没有暗物质的星系，而它们的邻居却塞得满满当当。你没法把一个本来就不存在的东西减掉。正如这些发现团队指出的，把暗物质和普通物质分开，恰恰是修正引力理论很难变出来的戏法——但一种真实的粒子做得到（AAS Nova summary）。

谁都还没搞定的那个问题

真正诚实的谜团就藏在这里，而且它分两层。

第一层，是一场顽固的、甚至顽固得有点小气的争吵：DF2 到底离我们多远？ 就这么一个数字，能改变一切，因为距离决定了这个星系真正的大小、真正的亮度，以及你从中推算出来的质量。van Dokkum 团队把它定在大约 20 兆秒差距——差不多 6500 万光年开外。但 Ignacio Trujillo 和合作者在 2019 年提出了反驳，认为它也许近得多，靠近 13 兆秒差距。把它挪近这么一截，戏剧性就泄了气：它就变成了一个相当普通的低面亮度矮星系，质量账本平平无奇。整场争论，挂在一把叫「红巨星支顶端」的尺子上——而就连「这把尺子」本身也遭到了质疑，有一项分析警告说，那些拥挤、混在一起的恒星可能会伪造出一个「幽灵」顶端，骗你读出一个更短的距离（Wikipedia overview, citing the primary literature）。后来，Shen 和同事在 2021 年用哈勃更深的成像测出了大约 22 兆秒差距的距离（Shen et al. 2021, ApJL），支持了那个更远——也更诡异——的读数。从那以后，各种数字逐渐向较大的距离收拢。但这整段传奇，是一堂完美的课：一次测量，就足以成就或者毁掉一个「没有暗物质的星系」。

第二个问题挖得更深。就算你承认这个结果，大自然又是怎么造出一个压根没有暗物质的星系的？ 标准宇宙学态度坚决：暗物质先来——是它先挖好了引力的深井，气体才掉进去，恒星才能点亮。一个跳过了这一步的星系，需要一段自己的身世。而天文学家们至今还没就哪一段是真的达成一致。

几种相互竞争的解释

接下来这些，是相互竞争的科学假说，不是已经板上钉钉的答案。每一个，都还在接受检验。

子弹矮星系碰撞。 2022 年，van Dokkum 的团队在《自然》上抛出了一个起源故事：大约八十亿年前，两个富含气体的矮星系迎面来了一场高速对撞（van Dokkum et al. 2022, Nature）。花一秒钟想象一下其中的物理。暗物质几乎不跟任何东西打交道，所以它会径直穿过这场撞车，毫发无伤。而另一边，气体云团则狠狠地撞在一起、被压缩、被打碎，崩裂成一长串崭新的星系——每一个，生来就不带暗物质。最耐人寻味的一点是：DF2 和 DF4 似乎排在一条大致笔直的链子上，链子上一共有 7 到 11 个暗弱天体，作者们把它解读成的，正是那种碰撞留下的残骸尾迹（Phys.org coverage）。这是个优雅的想法。如果得到证实，它会把整个反常现象变成我们早已知道的物理学的一个自然副产品。但就目前而言，它还是个等着更多证据的模型。

潮汐剥离。 另一些研究者则问：会不会是大质量的 NGC 1052，凭它的引力，在许多圈轨道运行中，把 DF2 的暗物质晕给一层层剥得干干净净？这有点道理，因为松散结合的暗物质，比紧紧抱成团的恒星更容易被扯走。麻烦在于：有些研究报告说，DF2 显示出一个干净的盘，没有明显被潮汐撕扯过的痕迹，这就让这个说法更难下咽了（Emsellem et al. 2019, A&A）。

修正引力，也就是「外场效应」。 然后还有最大胆的一种说法：也许 DF2 之所以缺暗物质，是因为压根哪儿都没有暗物质可缺。修正牛顿动力学（MOND）的支持者主张，一个停在大质量宿主旁边的小星系，它自身内部的引力可能被悄悄地压低了——这就是「外场效应」——而这恰恰能造出我们看到的那种慢吞吞的恒星运动。Haghi 和同事算了一遍，发现如果 DF2 处在距 NGC 1052 大约 150 千秒差距以内、而且两者都靠近 20 兆秒差距，那么预测出来的速度弥散度，跟 DF2 对得上（Haghi et al. 2019, MNRAS）。这是个货真价实、有数字撑腰的替代方案——尽管大多数天文学家还是更偏向粒子暗物质那套图景。

NGC 1052-DF2 之所以是个让人这么过瘾的谜团，是因为这里没有一个人在凭空挥手糊弄。每一个论断都能扣回到某个你量得出来的东西——一个速度、一段距离、一次恒星计数——而每一次新的望远镜瞄准，都会把这场争论往这边或那边推一推。这个看起来好像要打破我们整个宇宙理论的星系，到头来，也许恰恰会是那个证实它的东西。我们仍然守在这儿，听着它那些暗弱、缓缓漂移的星团，等着它们告诉我们，究竟是哪一个。

来源与延伸阅读

• van Dokkum 等（2018），《一个缺乏暗物质的星系》，Nature — https://www.nature.com/articles/nature25767
• Danieli 等（2019），《NGC 1052 星系群中第二个缺失暗物质的星系》，ApJL — https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0d92
• Shen 等（2021），《到 NGC 1052-DF2 的红巨星支顶端距离为 22.1 ± 1.2 兆秒差距》，ApJL — https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac0335
• van Dokkum 等（2022），《一场子弹矮星系碰撞留下的一串无暗物质星系》，Nature — https://www.nature.com/articles/s41586-022-04665-6
• Haghi 等（2019），MOND 外场效应，MNRAS — https://academic.oup.com/mnras/article/487/2/2441/5505850
• W. M. 凯克天文台，《不寻常的星系挑战暗物质理论》 — https://keckobservatory.org/df2-df4/
• AAS Nova，《暗物质都跑哪儿去了？》 — https://aasnova.org/2019/02/26/where-did-all-the-dark-matter-go/

来源与延伸阅读（补充）

• van Dokkum 等 2018，《一个缺乏暗物质的星系》，Nature：https://www.nature.com/articles/nature25767
• Danieli 等 2019，《NGC 1052 星系群中第二个缺失暗物质的星系》，ApJL：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0d92
• Shen 等 2021，到 NGC 1052-DF2 的 TRGB 距离 22.1 兆秒差距，ApJL：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac0335
• van Dokkum 等 2022，《一场子弹矮星系碰撞留下的一串无暗物质星系》，Nature：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04665-6
• Haghi 等 2019，应用于 DF2/DF4 的 MOND 外场效应，MNRAS：https://academic.oup.com/mnras/article/487/2/2441/5505850
• W. M. 凯克天文台，《不寻常的星系挑战暗物质理论》：https://keckobservatory.org/df2-df4/
• AAS Nova，《暗物质都跑哪儿去了？》：https://aasnova.org/2019/02/26/where-did-all-the-dark-matter-go/
• Emsellem 等 2019，《用 MUSE 观测超弥散星系 NGC 1052-DF2》，A&A：https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2019/05/aa34909-18/aa34909-18.html
• Phys.org，《新理论认为矮星系碰撞或可解释无暗物质星系》：https://phys.org/news/2022-05-theory-collision-dwarf-galaxies-dark.html
• 维基百科，NGC 1052-DF2（综述，引用了关于距离争论的原始文献）：https://en.wikipedia.org/wiki/NGC_1052-DF2