谜团解开宇宙如何在没有暗物质的情况下制造星系

　　模拟星系群中的暗物质分布，较亮的区域显示出较高浓度的暗物质。圆圈显示了与两个缺乏暗物质的星系相关的恒星光的特写图像。如果这些星系有暗物质，它们会在主图像中显示为明亮区域。
　　关键要点
　　在整个宇宙中，暗物质提供了最大宇宙结构质量的约 85%，而普通物质仅提供约 15%。 从单个星系到大型星系团和星团，再到最大结构的网状性质，我们所看到的几乎所有东西都由暗物质主导。 然而，小星系则不同，因为恒星形成通常会排出一些正常物质，从而创造出富含暗物质的环境。那么为什么我们有几个根本没有暗物质的小星系呢？最后，我们知道了。
　　这里有一点可能会让你摸不着头脑：几年前，第一个没有暗物质的星系被发现，这有助于证明暗物质的存在。这可能是你能想象到的最违反直觉的结论，因为暗物质的定义特征是：
　　它无处不在，它是巨大的，它比正常物质更丰富，比例为 5 比 1，它是在所有尺度上形成宇宙结构的主要驱动力。
　　在我们看到的每一个大尺度结构中，包括大螺旋星系、巨型椭圆星系、星系群、丰富的星系团，甚至是大宇宙网，暗物质都主导着外面的一切，在理论和观测之间提供了惊人的联系。
　　然而，那里的星系并不多，而且只有少数最小的星系被发现几乎没有暗物质。这听起来像是暗物质理论中的一个＂错误＂，但它实际上是一个特征。在充满暗物质的宇宙中，只有两种可行的方法可以创建一个没有暗物质的星系，而第一次真正测试这两种机制的合理性的模拟表明，其中一种实际上以极端的方式再现了我们所看到的准确性。这是暗物质理论的胜利；这就是它如何运作的科学。
　　暴胀期间印在我们可观测宇宙上的初始波动可能只会在约 0.003% 的水平上发挥作用，但这些微小的缺陷会导致出现在宇宙微波背景中的温度和密度波动，并为大尺度结构奠定基础今天存在。
　　第 1 步：重力
　　在炽热的大爆炸开始时，宇宙是热的、致密的，充满了物质和辐射，而且几乎——但不完全——完全均匀。最后一个属性是至关重要的，因为如果它在任何地方都完全一致，那么每个区域都会经历与其他空间区域完全相同的引力。但是，即使是微小的缺陷，也会有过度密集的区域优先吸引更多的物质进入其中，而密度不足的区域则会将它们的物质转移到更密集的周围区域。
　　据我们所知，我们的宇宙天生具有 99.997% 的完美均匀性，密度不足和过密区域仅偏离平均值约 0.003%：约 30,000 分之一。尽管如此，这已经足够了，几亿年后，恒星和星系开始形成，从这些最初的结构种子中生长出来。物质，无论是正常的还是暗的，都会被吸引到附近最密集的区域，形成一个被称为宇宙网的丝状结构，被巨大的空隙隔开。星系沿着细丝形成，而细丝相交的地方会产生更大的结构，如星系群、星团，甚至超星系团。
　　宇宙网是由暗物质驱动的，暗物质可能来自宇宙早期产生的粒子，这些粒子不会衰变，而是保持稳定直到今天。最小的尺度首先坍塌，而较大的尺度需要更长的宇宙时间才能变得足够密集以形成结构。这里看到的相互连接的细丝之间的空隙仍然包含物质：正常物质、暗物质和中微子，所有这些都具有引力。宇宙结构的形成也导致了星系，通过将我们的期望与观测进行比较，我们可以真正检验我们对宇宙的理解。
　　第 2 步：星形
　　在结构形成的早期阶段，重力将普通物质和暗物质视为相同：它们都有质量，因此它们都受到相同的力。但是一旦你开始创建大量的质量集合，你就会得到引力束缚的结构，这会改变一切。
　　当暗物质粒子被束缚时，它们只是在引力作用下绕行，没有其他相互作用。与光子没有相互作用；暗物质粒子和正常物质粒子之间没有碰撞；预计不会发生暗物质-暗物质相互作用；暗物质不会发生核反应。据我们所知，暗物质的显着特征是它在任何方面都是不可见的，除了它有质量并经历引力这一事实。而已。
　　另一方面，正常物质是由我们熟悉的＂物质＂组成的：大部分是电子和原子核。当正常物质被束缚时，除了引力之外，它还会经历各种相互作用。辐射可以对正常物质施加压力；正常物质可以与其他正常物质粒子碰撞并粘在一起；在足够高的温度和密度下，甚至可以发生核反应。虽然暗物质仍处于围绕每个星系的蓬松、弥漫的球形光晕中，但正常物质最终会沉入核心，一旦有足够的质量聚集在一个地方，就会开始形成恒星。
　　我们看到的宇宙网是整个宇宙中规模最大的结构，由暗物质主导。然而，在较小的尺度上，重子可以相互相互作用，也可以与光子相互作用，形成恒星结构，但也导致释放出可以被其他物体吸收的能量。暗物质和暗能量都无法完成这项任务。
　　第3步：现在我们正在做饭
　　到目前为止，尽管正常物质已经聚集在这些早期结构的中心，而暗物质仍然是扩散的，但几乎每个结构——无论是小尺度还是大尺度——都具有相同的暗物质与正常物质的普遍比率：5比1，与整体宇宙丰度相同。
　　但是一旦恒星形成，一切都会改变。
　　原因很简单，就是辐射。在它们的核心，核反应将恒星质量的一小部分转化为能量，然后将能量辐射出去。正常物质可以吸收这种辐射，使其升温，但暗物质不能。最大质量的恒星执行双重职责：
　　它们发出最大量的最高能量辐射，可以产生足够强的风，将普通物质加速到惊人的速度，
　　而且它们的生命周期也最短，其中许多会在能量极大的事件中达到顶峰，例如核心坍缩超新星。
　　这种辐射会影响正常物质，将大部分物质推离中心，但对暗物质没有影响。只有普通物质不断变化的引力构型才会影响暗物质：这是一种次要的、次要的效应。
　　这张雪茄星系 Messier 82 的特写图不仅显示了恒星和气体，还显示了过热的银河风以及由其与更大、更大质量的邻居 M81 相互作用引起的膨胀形状。M82 足够大，质量足够大，足以在这个过程中保持其正常物质；一个更小、质量更低的星系会失去它，在这个过程中暗物质的含量比平均水平要高。
　　如果你的恒星形成的星系又大又大，这最终不会发生太大变化。当然，正常物质会被推出中心，但是由于摩擦和引力的共同作用，外晕中的气体和银河系的整体质量会阻止物质逃逸。
　　然而，如果你形成了足够多的恒星——尤其是足够大的恒星——并且你的星系质量足够低，那么恒星形成的主要事件可以完全排出通常以气体、尘埃和等离子体形式存在的正常物质. 在烟花散去之后，你所剩下的就是你在最初的波浪中形成的星星，嵌入暗物质光环中。其余的正常物质将返回到星系际介质：星系之间的空间。
　　通常，你所期望的是，在所有大型宇宙结构中，你会看到相同的暗物质与正常物质的 5 比 1 的比率，但是一旦你达到临界尺寸或质量，你预计暗物质与正常物质的比率会增加，质量最低的星系的比率最不平衡。在最极端的情况下，我们可以得到数百比甚至数千比一的暗物质与正常物质的比率。
　　许多附近的星系，包括本星系群的所有星系（大多聚集在最左边），显示出它们的质量和速度色散之间的关系，表明存在暗物质。NGC 1052-DF2 是已知的第一个似乎仅由正常物质组成的星系，后来在 2019 年初加入了 DF4。然而，像 Segue 1 和 Segue 3 这样的星系非常高，并且聚集在这个星系的左侧图表; 这些是已知的最暗物质最丰富的星系：最小和质量最低的星系。
　　当像右边的旋涡星系 D100 这样的星系在丰富的环境中加速时，与环境的摩擦会导致气体剥离，从而导致恒星的形成并增加宿主星系的暗物质与正常物质的比率。在银河系之后形成的这些剥离星团中的一些可以在以后重新形成它们自己的无暗物质星系。
　　也可以通过不同的机制分离普通物质和暗物质：让一个富含暗物质的小型星系与一个更大、更大质量的星系发生引力相遇。在这种情况下，较大的星系会将较小的星系撕裂，但也会从外向内撕裂。因为暗物质分布在一个弥散的、蓬松的、云状的结构中，而正常物质集中在星系的中心，暗物质首先被剥离，只留下正常物质。
　　这两种情况之间的主要区别在于这些对象将存活多长时间。在第一个例子中，这些只有恒星的结构可以持续存在，直到它们与另一个星系发生足够强的相互作用，这意味着它们一旦被创造出来，可能会存在数亿甚至数十亿年。然而，在第二个例子中，这些较小的星系正在被撕裂，而我们所看到的＂没有暗物质的星系＂可能是暂时的。只是因为我们碰巧及时看到了一个关键的快照，我们才能捕捉到这些星系，因为它们正在从暗物质主导转变为完全分裂。
　　星系 NGC 1052-DF4 是 NGC 1052 的两个卫星星系之一，被确定为内部没有暗物质，显示出一些被潮汐破坏的证据；一旦周围的光源被准确地建模和移除，在右边的面板中更容易看到效果。如果没有暗物质将它们维系在一起，像这样的星系不太可能在丰富的环境中存活很长时间。
　　观察
　　在观测方面，我们发现了一些这样的星系。前两个，NGC 1052-DF2 和 NGC 1052-DF4，是相对较近的大型星系 NGC 1052 的两个超扩散卫星星系，首先被发现：使用蜻蜓长焦阵列。最近，在附近发现了六个似乎也缺乏暗物质的新星系，以及在更大的邻居附近发现的小型卫星星系。
　　当然，最大的问题是为什么？
　　鉴于我们现在只能观察这些星系——宇宙时间的单一快照——观察本身只能告诉我们这么多。要知道为什么我们的星系似乎缺乏暗物质，需要应用不同的技术：尝试模拟宇宙，从大宇宙尺度到捕捉正常和暗物质在这些不同＂交互＂场景，并查看其中哪些（如果有）与我们的观察结果相匹配。在2022 年 2 月 14 日前发表在《自然天文学》上的一篇详尽的论文中，由 Jorge Moreno 领导的一组研究人员正是做到了这一点。
　　宇宙学模拟首次产生了缺乏暗物质的星系，这些星系与我们观察到的在各种特性上都缺乏暗物质的星系相匹配。未来，更好地观察和更大的数据集将能够稳健地测试这些预测，并确定模拟的有效性。
　　关键结果
　　它采用了最先进的宇宙学模拟技术，包括暗物质、气体、恒星形成、辐射反馈、超新星的能量注入以及令人难以置信的高质量分辨率来找到解决方案。研究人员需要特别小心——可以说，比任何进行宇宙学模拟的研究团队都更加细致——在小尺度上识别甚至是轻微的超密度，以确定星系在他们的模拟中形成的位置。
　　他们发现，值得注意的是，有一系列条件不仅会产生缺乏暗物质的星系，而且这些星系的特性与我们在真实宇宙中实际观察到的无暗物质星系一致。他们也有类似的：
　　恒星质量，物理尺寸，物理形状（天文学家称之为形态），以及恒星内部运动的速度（天文学家称之为速度色散）。
　　关键因素是两个不同的星系之间的近距离接触，其中至少一个又大又大：至少与银河系的质量相当。
　　在中心至少有一个大质量星系的星系群和星团中，他们发现这些星系团中的很大一部分，大约三分之一，拥有至少一个卫星星系，其质量与我们的麦哲伦星云中的一个相当，它要么没有暗物质，要么在它所拥有的暗物质数量上严重不足。
　　与其他宇宙学模拟不同。其结果显示在橙色五边形和蓝色六边形中，这是莫雷诺等人的当前模拟。实际上再现了第一次观测到的暗物质缺乏星系 NGC 1052-DF2 和 NGC 1052-DF4 一致的暗物质缺乏星系。
　　当然，接下来的步骤将由新兴的下一代望远镜套件带给我们，这些望远镜经过优化，可以发现和测量相对较近的宇宙中大型星系周围的卫星星系的特性。尽管大多数以暗物质为主的星系的暗物质与正常物质的比率为 5 比 1 或更高，但这项新研究不仅揭示了一种产生以正常物质而不是暗物质为主的低质量星系的机制，但已经对它们的预期丰度、特性和与宿主星系的距离进行了预测。只有时间和未来的观察才能证实这些预测是否完全正确。
　　然而，有一点很清楚：如果你想拥有一个拥有相同规模且有两种星系的宇宙：
　　以暗物质为主，
　　和缺乏暗物质甚至没有暗物质，
　　如果没有某种形式的暗物质，你就无法做到这一点。只有存在暗物质并且存在将正常物质与暗物质分离的物理机制时，才有可能同时拥有这两种类型的星系。我们第一次不仅准确地证明了这一点，而且通过模拟预测存在的缺乏暗物质和无暗物质的星系实际上与我们在现实生活中观察到的星系一致。