一个几乎不存在的星系

在Perseus星系团的广阔空间中，距离地球约3亿光年，天文学家确定了已知宇宙中最奇特的天体之一。它叫CDG-2，这个星系如此昏暗以至于几乎不可见，为它赢得了"幽灵星系"这个表达性的昵称。使CDG-2不同寻常的不是它所包含的，而是它所缺少的：可见物质。该星系总质量的约99%由dark matter组成，这是一种与重力相互作用但不产生光的神秘物质。

这个使用Hubble Space Telescope进行的发现代表了天文学家探测宇宙中最难以捉摸物体的能力的重大进步。CDG-2被分类为低表面亮度星系，这类物体是如此昏暗，以至于在整个表面产生的光几乎无法检测。许多这样的星系可能存在于整个宇宙中，但它们一直保持隐藏，仅仅是因为我们的仪器和检测方法还不够灵敏，无法找到它们。

一项巧妙的探测方法

寻找一个几乎不产生光的星系需要创意思维。研究团队没有通过寻找表征大多数星系发现的星光漫射光芒来发现CDG-2。相反，他们采用了一种创新方法：搜索紧密的globular clusters分组。

Globular clusters是稠密的球形星团，通常包含数十万到数百万颗恒星，紧密堆积在相对较小的体积中。这些古老的恒星集合是宇宙中最古老的结构之一，通常环绕在星系周围。关键的洞察是globular clusters尽管宿主星系很昏暗，但通过Hubble的锐利光学仍然可以单独检测到。

当研究人员发现了四个globular clusters的可疑分组，这些星团似乎在空间上相关联时，他们进一步调查，发现了极其昏暗的底层星系。这四个globular clusters占整个CDG-2系统发出的所有可见光的惊人的16%，突出了该星系包含多少普通发光物质。

Dark Matter的主导地位

虽然所有星系都含有一些dark matter，但CDG-2中的比例是极端的。在像Milky Way这样的典型星系中，dark matter约占总质量的85%至90%。可见物质，包括恒星、气体、尘埃和行星，占剩余的10%至15%。在CDG-2中，可见物质约占总质量的1%，使其成为迄今为止观测到的最受dark matter主导的系统之一。

这引发了关于星系形成和演化的基本问题。一个星系如何在如此少的普通物质中形成？什么物理过程能够实际上剥离几乎所有的气体和恒星，同时保留完整的dark matter晕？

研究人员认为答案在于CDG-2的环境。Perseus星系团是附近宇宙中最庞大和最密集的星系团之一，包含数千个相互引力结合的星系。在这样拥挤的环境中，星系经常相互作用，并与填充它们之间空间的热intracluster气体相互作用。

这些相互作用可以通过几种机制戏剧性地改变星系的成分：

  • Ram pressure stripping发生在星系穿过热intracluster气体时，它像强劲的风一样吹走星系的气体供应。没有气体，星系无法形成新的恒星
  • 来自附近大质量星系的引力tidal forces可以物理上将恒星和气体从较小的星系中拉出，重新分布到intergalactic介质中
  • 通过与其他星系的重复近距离相遇的骚扰逐渐在数十亿年间加热并驱逐星系中的物质

研究人员得出结论，CDG-2中的大部分氢气（星形成所需的原料）可能被拥挤的Perseus星系团中其他星系的引力相互作用剥离了。在数十亿年的时间里，这个星系基本上被剥离了其可见物质，而其dark matter晕虽然范围更广且引力上更稳健，但基本保持完整。

CDG-2告诉我们关于dark matter的什么

CDG-2的存在对dark matter本身的性质提供了宝贵的约束。不同的dark matter理论模型预测了星系尺度结构中dark matter的不同分布和密度。一个几乎完全由dark matter组成的物体，与baryonic（普通）物质的干扰极少，为这些模型提供了一个异常清晰的测试案例。

如果dark matter按照标准cold dark matter模型的预测表现，像CDG-2这样的星系应该在质量分布、大小和对周围物体的引力影响方面表现出特定的特征。对这些预测的偏差可能指向替代dark matter模型，包括warm dark matter或self-interacting dark matter理论。

CDG-2还对所谓的缺失卫星问题的持续辩论有所贡献。标准宇宙模型预测大型星系团应该包含比天文学家观测到的更多的小型dark matter主导结构。如果许多这些预测的结构是类似CDG-2的幽灵星系，太昏暗而无法用传统方法检测，那么理论和观测之间的差异可能比之前认为的要小。

寻找隐藏星系的新方法

用于发现CDG-2的探测技术的影响远超这个单一的发现。通过证明globular clusters可以作为识别超微弱星系的可靠标记，研究团队为天文学界提供了一个新的搜索策略。

Globular clusters足够明亮，即使在宿主星系太昏暗而无法直接看到的情况下，也能在相当远的距离被检测到。对星系团中globular clusters群体的系统调查可能会揭示大量一直隐藏的幽灵星系，这些星系被依赖检测漫射星光的调查所忽视。

与James Webb Space Telescope的未来观测，它在红外波长具有更高的灵敏度，可能会将这一搜索扩展到更昏暗和更遥远的物体。Hubble锐利的光学成像和JWST的红外能力的结合为天文学家提供了强大的工具包来绘制宇宙隐藏结构的地图。

对宇宙学的启示

CDG-2的发现为宇宙在其最大规模上如何结构化的复杂拼图又增加了一块。Dark matter占宇宙总质能内容的约27%，但它仍然是宇宙中理解最少的成分之一。每一个限制其属性和行为的新观测都使科学家更接近理解dark matter实际上是什么。

像CDG-2这样的幽灵星系可能比当前调查所表明的要普遍得多。如果事实证明如此，这将意味着宇宙的星系结构的很大一部分基本上是不可见的，仅可通过其引力效应和偶尔存在的stick dark matter晕的globular clusters进行检测。宇宙可能比可见人口普查所表明的星系数量更多，其大部分星系内容被黑暗包裹。

本文基于Science Daily的报告。阅读原始文章。