天文学家发现三个几乎不含暗物质的星系

这篇报道的原始版本发表于《Quanta Magazine》。

暗物质是把宇宙中最大尺度结构维系在一起的隐形黏合剂。它把普通的可见物质吸引到自己身边，让恒星得以形成，也让星系那些布满恒星的旋臂不至于飞散开去。“几乎所有的星系都由暗物质主导。”伦敦国王学院的理论物理学家Shyam Balaji说。

但这三个弥漫星系——DF2、DF4和DF9——却让天文学家大为震惊。研究者用一组望远镜，通过恒星运动作为替代指标来估算它们的质量，结果发现这三个星系几乎都不含暗物质。相反，仅仅靠极少量的普通物质，就锻造出了它们那为数不多的恒星。这些打破规则的星系究竟是如何形成的？

2026年6月发表在《The Astrophysical Journal》上的一篇论文提出了一个可能的解释。从前，两个普通星系发生了碰撞。它们的普通物质——气体和尘埃——翻搅涌动，聚集成团。但暗物质却径直穿过，继续前行，如同幽灵穿墙而过。这场宇宙级的堆积留下了三个新星系，每一个都不含暗物质，每一个都只能艰难地孕育出一批新恒星。

对许多专家来说，这是一个有说服力的解释——关键在于，它也许能告诉我们一些关于暗物质之谜的东西。

一些科学家提出，至今尚未被直接探测到的暗物质可能并不存在。相反，他们认为，只要对我们对引力的理解稍作调整，就能解释宇宙的各种特征。

这些奇异的星系给这种想法泼了一盆冷水。“这件事表明的是，暗物质……不仅仅是引力的一种修正。”新研究的作者之一Keim说。如果你把普通物质与暗物质分离开来，你会预期那些缺乏暗物质的星系将难以形成恒星——而DF2、DF4和DF9正是如此。

这表明，正如许多人一段时间以来所怀疑的那样，暗物质是一种物理实体。“暗物质的缺席，在某种程度上正是暗物质存在的证据，这挺讽刺的。”Balaji说。

“我们不知道哪一种暗物质候选者是正确的那一个。”加州大学欧文分校的粒子物理学家Daniel Whiteson说。无论它是什么，它都尚未被探测到。但“有大量独立的证据表明暗物质就是物质。”

暗物质占宇宙的27%——占所有物质的85%——并与引力相互作用。如果只靠普通物质的引力，快速旋转星系边缘的恒星就会逃逸到太空中去。仅凭普通物质，也很难足够紧密地聚集成团以形成恒星。暗物质似乎还会扭曲空间本身，使光线在物体周围弯曲，这一过程被称为引力透镜。

“没有暗物质，你就不会有星系。”伦敦大学学院的物理学家Chamkaur Ghag说。“有没有可能在最初就没有暗物质的情况下演化出星系？我们的理解是：不能。”

因此，当DF2在2018年被发现时，天文学家并不太清楚该如何理解它。这个星系的大小与银河系大致相当，但恒星数量少了200倍，因此暗淡得多。心存疑虑的科学家利用夏威夷的Keck天文台追踪这些恒星的运动，以估算该星系的总质量。他们发现，即便对这样一个恒星稀缺的星系来说，它也属轻量级：它似乎至多只含有比预期少400倍的暗物质，这使DF2成为有史以来发现的第一个暗物质匮乏的星系。

2019年，他们观测了DF4，这是另一个缺乏暗物质的幽灵星系。而在2026年，科学家宣布第三个星系DF9也加入了这一行列。它的质量约为1亿个太阳，这与只含普通物质的情况相符。如果它还充满了暗物质，它的质量会是现在的100倍。

这三个薄纱般的星系竟然排列成一条线、彼此为邻，这没有逃过天体物理学家的注意，他们开始逐渐形成一个关于其起源的故事。

目前已知暗物质只通过引力发生作用；尚无有力证据表明它与电磁力等其他基本力相互作用。如果两个典型星系迎头相撞，暗物质几乎不会感受到摩擦或阻力，会继续疾驰而过。但普通物质会参与全部四种基本力的相互作用，因而会纠缠成一团。

“打个比方，就像两名骑士进行长矛比武，骑士和他们的长矛撞在一起，可能乱糟糟地摔落在地，而他们的马却继续全速奔跑。”圣何塞州立大学的天文学家Aaron Romanowsky说。

这让人联想到子弹星系团，那是38亿光年外两个巨大的星系集合，它们也在远古时期发生过碰撞。这场“撞车大赛”最近由詹姆斯·韦布空间望远镜观测到，其质量分布杂乱无章，只有假定暗物质和普通物质在碰撞中被撕裂分离，这种分布才说得通。

尽管在DF2、DF4和DF9中可以更清晰地看到这种分离，但并非所有人都认同分离是如何发生的。

伦敦大学学院的理论天体物理学家Kinwah Wu指出，这三个星系并没有表现出人们在星系碰撞后所预期看到的任何流体状、缕状特征。他认为，在这种情况下，DF2、DF4和DF9是穿过了一大群大质量星系。这个庞大的乌合之众在它们不幸的旅程中夺走了这三个星系的全部暗物质。

（原文较长，此处译出前 6000 字，完整内容请点「打开原文」。）