丟失了暗物質的星系

每一個被秤過重量的星系，都藏著同一種秘密配方。在每個星系內部——把恆星牢牢綁在一起、不讓整個旋轉的結構分崩離析——都藏著大量沒有人看得見的東西。天文學家叫它暗物質，將近一個世紀以來，它一直是宇宙看不見的鷹架。它總是遠遠多過普通物質。一直都是。

然後，在2018年，一支團隊宣布找到了一個幾乎完全沒有暗物質的星系。

它的名字叫 NGC 1052-DF2。這個結果聽起來根本自相矛盾——一個星系，竟然缺少了那個照理說讓星系得以存在的關鍵成分。接著，它的「表親」也在附近現身了。後面發生的事，成了現代天體物理學中最熱鬧的一場論戰，而且大部分問題到現在都還懸而未決。

我們真正知道的事

先從這個星系本身說起，因為它還沒被測量就已經夠怪了。NGC 1052-DF2 是「超瀰漫」的：寬度差不多和銀河系一樣，可是恆星撒得太稀疏，你可以直接穿過它看見另一頭遙遠的星系。它位於鯨魚座的方向，懸在橢圓星系 NGC 1052 附近。

引爆點來自 Pieter van Dokkum（皮耶特・范多昆）和同事，發表在2018年《自然》的一篇論文，標題一點都不拐彎抹角：「一個缺乏暗物質的星系」（van Dokkum 等人 2018，《Nature》）。他們是這麼做的。他們測量了約十個明亮球狀星團——密集成團的恆星——在 DF2 內部繞行的速度。在一個這種大小的正常星系裡，暗物質額外的重力應該會把這些星團甩得每秒幾十公里地飛奔。結果呢，它們彼此之間幾乎紋風不動。視線方向上的速度彌散低得離譜，後來被釘在大約 σ ≈ 7.8 km/s（Haghi 等人 2019，《MNRAS》）。

算一算，結論很直白。要解釋這種懶洋洋、慢吞吞的運動所需的質量，剛好等於星系裡看得見的那些恆星的質量——再多一點都不需要。暗物質含量算出來的結果是少得幾乎沒有，甚至根本沒有。我們講的是：對這種大小的天體，星系形成模型要求的暗物質量，它差了好幾百倍。

這太出格了，幾乎是在求人來質疑。而質疑帶來了第二個發現。2019年，同一組人在《天文物理期刊通訊》上報告了 NGC 1052-DF4，這是同一個星系群裡另一個超瀰漫星系（Danieli 等人 2019，《ApJL》）。這次他們用 W. M. 凱克天文台的低解析度成像光譜儀，追蹤了七個球狀星團——而速度再一次只對得上星系裡普通物質的量（凱克天文台）。一個怪胎星系，可以說是僥倖。同一片區域裡出現兩個幾乎一模一樣的怪胎，看起來就像一種規律了。

接下來這個轉折，才讓整件事變得真正暖心。一個「能夠」在沒有暗物質的情況下存在的星系，奇妙的是，反而成了暗物質真實存在的證據。想想看：如果「暗物質」其實只是我們對重力運作方式的誤解，那你就不可能造出兩個外觀完全正常、卻偏偏暗物質憑空消失的星系，而它們的鄰居卻塞滿了暗物質。你沒辦法減掉一個從來就不存在的東西。正如發現團隊指出的，把暗物質和普通物質分開，恰恰是修正重力理論最難變出來的把戲——但一種真實存在的粒子卻辦得到（AAS Nova 摘要）。

沒有人擺平的問題

真正誠實的謎團就藏在這裡，而且分成兩層。

第一層，是一場頑固、固執得近乎芝麻大的爭執：DF2 到底有多遠？ 光是這一個數字就能改變一切，因為距離決定了星系真正的大小、真正的亮度，以及你由此推算出的質量。范多昆的團隊把它放在大約20百萬秒差距——約莫6500萬光年之外。但 Ignacio Trujillo（伊格納西奧・特魯希略）和合作者在2019年反駁，認為它可能近得多，大約在13 Mpc 附近。把它往近處挪這麼多，戲劇張力就全洩光了：它變成一個相當普通的低表面亮度矮星系，質量帳目平淡無奇。整場爭論吊在一把叫做「紅巨星分支頂端」的量尺上——而連「那個」都被人質疑了，有一份分析警告說，擁擠、重疊在一起的恆星可能偽造出一個「幽靈」頂端，騙你讀出一個比較短的距離（維基百科綜述，引用原始文獻）。後來，Shen（沈）和同事在2021年用更深的哈伯影像測出約22 Mpc 的距離（Shen 等人 2021，《ApJL》），支持那個比較遠——也比較詭異——的讀數。自那之後，數字逐漸收斂向比較大的距離。但這整段曲折，是一堂完美的課，教你看清一個測量怎麼能成就或毀掉一個「沒有暗物質的星系」。

第二個問題挖得更深。就算你接受這個結果，大自然到底是怎麼造出一個完全沒有暗物質的星系的？ 標準宇宙學斬釘截鐵地說，暗物質是先出現的——是它挖出那口重力井，氣體才掉進去，恆星才得以點亮。一個跳過這一步的星系，需要一個起源故事。而天文學家目前還沒能對哪一個才是真的達成共識。

互相較勁的解釋

接下來的，都是彼此競爭的科學假說，不是已成定論的答案。每一個都還在接受檢驗。

子彈矮星系碰撞。 2022年，范多昆的團隊在《自然》上拋出一個起源說：大約八十億年前，兩個富含氣體的矮星系發生了一場正面、高速的對撞（van Dokkum 等人 2022，《Nature》）。花一秒鐘想像一下那個物理畫面。暗物質幾乎不和任何東西作用，所以它會毫髮無傷地直接穿過這場撞擊。而另一邊的氣體雲，卻會猛烈撞在一起、被壓縮、碎裂成一串嶄新的星系——每一個生下來就是無暗物質的。而最耐人尋味的部分在這裡：DF2 和 DF4 似乎沿著一條大致筆直的鏈排列，上頭串著7到11個暗淡天體，作者解讀為正是那種碰撞留下的殘骸軌跡（Phys.org 報導）。這是個漂亮的點子。如果獲得證實，它會把整個反常現象變成我們早就懂的物理的自然副產品。但就目前而言，它還只是個等著更多證據的模型。

潮汐剝離。 另一些研究者問道，會不會是龐大的 NGC 1052，靠著重力在許多次繞行中，把暗物質暈整個刮乾淨了——這說法有點道理，因為鬆散綁著的暗物質，比緊緊抱成一團的恆星更容易被扯走。但麻煩在這：有些研究指出 DF2 呈現一個乾淨的盤面，看不出明顯被潮汐扯爛的跡象，這就讓這套說法比較難吞下去（Emsellem 等人 2019，《A&A》）。

修正重力理論，也就是「外場效應」。 接著還有最大膽的一種看法：說不定 DF2 缺暗物質，不是因為它缺，而是因為宇宙裡根本就沒有暗物質可缺。修正牛頓動力學（MOND）的支持者主張，一個停在大質量宿主附近的小星系，它自身的內部重力可能被悄悄壓低了——這就是「外場效應」——產生的正是我們看到的那種慢吞吞的恆星運動。Haghi 和同事算了一遍，發現只要 DF2 落在距 NGC 1052 約150 kpc 以內、而且兩者都在20 Mpc 附近，預測的速度彌散就和 DF2 對得上（Haghi 等人 2019，《MNRAS》）。這是一個貨真價實、可以拿數字算的替代方案——儘管大多數天文學家還是比較偏向粒子暗物質那一派。

NGC 1052-DF2 之所以是個如此讓人滿足的謎，在於這裡沒有人在打迷糊仗。每一項主張都扣回某個你能測量的東西——一個速度、一個距離、一次恆星計數——而每一次望遠鏡的新指向，都把這場爭論往某一邊輕輕推一下。這個看起來像是要打破我們宇宙理論的星系，到頭來，也許正是那個確認它的東西。我們現在還在外頭，聆聽它那些微弱、緩緩漂移的星團，等著它們告訴我們答案究竟是哪一個。

資料來源與延伸閱讀

• van Dokkum et al. (2018)，「A galaxy lacking dark matter」，《Nature》 — https://www.nature.com/articles/nature25767
• Danieli et al. (2019)，「A Second Galaxy Missing Dark Matter in the NGC 1052 Group」，《ApJL》 — https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0d92
• Shen et al. (2021)，「A Tip of the Red Giant Branch Distance of 22.1 ± 1.2 Mpc to NGC 1052-DF2」，《ApJL》 — https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac0335
• van Dokkum et al. (2022)，「A trail of dark-matter-free galaxies from a bullet-dwarf collision」，《Nature》 — https://www.nature.com/articles/s41586-022-04665-6
• Haghi et al. (2019)，MOND 外場效應，《MNRAS》 — https://academic.oup.com/mnras/article/487/2/2441/5505850
• W. M. 凱克天文台，「Unusual Galaxies Defy Dark Matter Theory」 — https://keckobservatory.org/df2-df4/
• AAS Nova，「Where Did All the Dark Matter Go?」 — https://aasnova.org/2019/02/26/where-did-all-the-dark-matter-go/

資料來源與延伸閱讀

• van Dokkum et al. 2018，「A galaxy lacking dark matter」，Nature：https://www.nature.com/articles/nature25767
• Danieli et al. 2019，「A Second Galaxy Missing Dark Matter in the NGC 1052 Group」，ApJL：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0d92
• Shen et al. 2021，TRGB 距離 22.1 Mpc 到 NGC 1052-DF2，ApJL：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac0335
• van Dokkum et al. 2022，「A trail of dark-matter-free galaxies from a bullet-dwarf collision」，Nature：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04665-6
• Haghi et al. 2019，MOND 外場效應應用於 DF2/DF4，MNRAS：https://academic.oup.com/mnras/article/487/2/2441/5505850
• W. M. 凱克天文台，「Unusual Galaxies Defy Dark Matter Theory」：https://keckobservatory.org/df2-df4/
• AAS Nova，「Where Did All the Dark Matter Go?」：https://aasnova.org/2019/02/26/where-did-all-the-dark-matter-go/
• Emsellem et al. 2019，「The ultra-diffuse galaxy NGC 1052-DF2 with MUSE」，A&A：https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2019/05/aa34909-18/aa34909-18.html
• Phys.org，「New theory suggests collision of dwarf galaxies could explain dark matter-free galaxies」：https://phys.org/news/2022-05-theory-collision-dwarf-galaxies-dark.html
• Wikipedia，NGC 1052-DF2（綜述，引用距離爭論的原始文獻）：https://en.wikipedia.org/wiki/NGC_1052-DF2