壮观的半人马座A(最接近银河系的活跃星系)的合成视图。 已经在该星系周围测量了16个卫星星系,其中14个似乎位于同向旋转的平面中,这与对冷暗物质模拟的天真期望相违背。 图片来源:ESO / WFI(光学); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss等。 (毫米); NASA / CXC / CfA / R.Kraft等 (X射线)。

卫星星系与它们的宿主生活在同一平面上,无视暗物质的预测

但这对理论真的有问题吗? 还是要拯救物理?

暗物质是现代物理学中提出的最有力但最具争议的思想之一。 我们看到无可争辩的证据表明,宇宙中存在的由质子,中子和电子组成的正常物质本身无法解释全套引力效应。 添加具有特殊性质(即暗物质)的附加质量源,使几乎所有引力的预测都与我们看到的一致。 暗物质的预测之一是,矮矮星系卫星星系应该在大星系周围的大光环中形成。 但是在银河系,仙女座和现在的半人马座A周围,它们不是生活在光环中,而是生活在磁盘中。 进行最新研究的研究人员声称,这是对冷暗物质(CDM)宇宙学标准图像的重大挑战。 但这是真的吗? 找出需要深入的了解。

对宇宙的详细研究表明,它是由物质而不是反物质组成的,需要暗物质和暗能量,而且我们不知道任何这些奥秘的起源。 图片来源:克里斯·布雷克(Chris Blake)和萨姆·莫菲尔德(Sam Moorfield)。

只要您有一个引人注目的简单理论可以解决许多问题,但是其基本预测只能通过间接方式检测到,那么必然会有反对者。 以宇宙通货膨胀为例,它解释了我们宇宙的起源,但今天只能看到它的残余效应。 暗能量完美地解释了宇宙的加速膨胀,但是没有已知的方法来探究其根本原因。 令人沮丧的是,暗物质解释了整套的宇宙学观测结果,从单个星系的动力学到大型宇宙网,再到大爆炸的剩余辉光的波动。 但是没有人直接检测到暗物质粒子。 可以说,没人能接近。 尽管如此,这并不意味着暗物质不是真实的。 这意味着我们在分析时必须非常小心。

根据模型和模拟,所有星系都应嵌入暗物质光环中,其密度在银河系中心达到峰值。 但是,预计会存在大量的亚晕团,从而将微型星系藏在其中。 它们的分布应该是晕轮状的,而不是盘状的。 图片提供:NASA,ESA和T. Brown和J. Tumlinson(STScI)。

卫星星系问题是一个真正的难题,因为涉及到许多复杂的物理过程。 当您运行暗物质模拟时,它是一项通用功能,随着时间的流逝,您会建立大的暗物质光环,这些光晕会融合在一起,与我们今天所知的大型旋涡和椭圆星系相对应。 但是围绕它们的是较小的亚晕,在模拟中,它们出现在较大星系周围的所有方向上。 但是实际上,实际上,我们实际看到的小型卫星星系显示在一个平面上:与主星系盘所在的轨道平面相同。

在半人马座星系周围的轨道中发现的矮星系在星系平面内显示出清晰的方向,这是CDM理论难以解释的挑战。 图片来源:O.Muller等人,Science 359,6375(2018)。

此外,尽管天真的期望这些矮星系也会表现出随机运动,但我们观察到的结果显示出了重要证据,这些卫星正在与主星系自身共同旋转。 这首先是在银河系和仙女座星系中发现的,新的研究表明半人马座A也是如此,发现的16个卫星星系中有14个似乎与中央星系一起旋转。

某种原因是隐藏了这些光环,有些是模拟错误,或者某些物质没有完全由暗物质解决。 让我们看看每种可能性。

整个矮星系Segue 1和Segue 3中仅存在约1000颗恒星,其重力质量为600,000太阳。 环绕矮星Segue 1的恒星在这里盘旋。 图片来源:Marla Geha和Keck天文台。

1.)这些光环是真实的,但是磁盘外的矮卫星很难看到。 缺失的卫星问题是宇宙学中长期存在的问题,因为对CDM的模拟长期以来一直表明,大型星系周围的矮星系比我们发现的要多得多。 最近,已经发现了大量超微弱的矮星系,其中大部分都在附近。 它们甚至比银河系中的开放恒星团还暗淡,尽管有成千上万个太阳质量的暗物质团,但其中许多只包含数百个恒星。 但是,由于平面看起来是真实的,所以这不能完全解释定向问题。

此外,关于这些矮人将被隐藏的论点仅适用于银河系,因为只有它的飞机会掩盖卫星。 半人马座A和仙女座星系卫星的观测似乎使这一点停滞了。 关于所有观察到的平面是否在长时间范围内都是动态稳定的存在争议,但似乎缺少的小矮人似乎无法解释意外的平面对准。

通过zll = 0处的Illustris体积进行的大规模投影,以最大的集群(深15 Mpc / h)为中心。 显示暗物质密度(左)转换为气体密度(右)。 没有暗物质就无法解释宇宙的大规模结构,尽管存在许多改进的引力尝试。 但是,较小规模的结构通常会给暗物质模拟带来问题。 图片来源:Illustris协作/ Illustris模拟。

2.)预测卫星类似光环分布的模拟是有缺陷的。 这是一个潜在的解释,应该非常重视。 银河系演化中有许多过程在起作用,包括合并较小的星系以建立较大的星系,将物质降落到这些星系中以及暗物质和正常物质沿着宇宙细丝的流动。 已知这些细丝可充当银河高速公路,将数十亿年的小型星系集中到较大的星系中。 此外,恒星形成还会产生反馈效应,而气体,等离子体和辐射之间的相互作用可能在标准CDM模拟中并未很好地说明。 毕竟,如果考虑所有其他这些物理效应,则类似光环的分布可能不是通用特征。

从可见光中可以看到,半人马座星系A看起来像是一个以圆盘为主的星系和一个椭圆形星系的混合物。 但是,无论如何切片,围绕它运行的卫星的观测结果都对传统的CDM解释提出了挑战。 图片来源:Christian Wolf和SkyMapper团队/澳大利亚国立大学。

3.)关于暗物质的想法出了点问题。 然而,上面列举的物理效应的相对重要性引起了激烈的争论。 正如新论文的作者自己指出的那样:“尽管我们发现[半人马座] A卫星的运动学不太可能偶然发生,但这并不能立即使我们得出结论,认为它与[冷暗物质的预测宇宙学。” 最现代的模拟确实无法重现半人马座A,银河系和仙女座等星系周围的观测结果,因此,本文的作者断言,这种张力倾向于替代暗物质的解释。 正如作者所建议的那样,这些卫星很有可能是由两个同等大小的星系之间的历史性重大合并产生的。 这也是一个争论颇多但有趣的可能性。

银河合并是很常见的,随着时间的流逝,所有受重力约束的星系和星团最终将合并为每个绑定结构核心的单个星系。 当大型合并发生时,其结果通常是一个巨大的椭圆形,但没人知道矮卫星星系会发生什么。 图片提供:A。Gai-Yam / Weizmann Inst。 科学/ ESA / NASA。

每个角度都有一些证据可以支持这一点,但是很明显,除了极小的卫星之外,所有卫星都没有类似晕轮的分布预测。 现在,对于三个大星系-银河系,仙女座和半人马座A-观测事实似乎表明,矮卫星星系出现在围绕这些大星系的平面中。 此外,有暗示的证据表明这些矮星系随着大星系的自转而运动。 但是,当您查看附近的宇宙时,有一个重要的因素在起作用:这些星系中也有局部物质流动,包括正常物质和深色物质。 如果对物质如何进入这些星系有一个优先的指示,那么对与它们相连的矮卫星应该有一个优先的指示。

该图显示了当前的星系流—在银河系,仙女座和半人马座A周围的区域中,沿着宇宙高速公路和通往处女座的桥梁的流动。图片来源:“卫星星系和宇宙网的平面,'Noam Libeskind等人,2015年。

在2015年,由Noam Libeskind领导的团队发现了这种确切的效果。 利伯斯金德当时说:“这是我们第一次获得观测证明,大型的丝状超级高速公路正在沿着宏伟的暗物质桥梁在整个宇宙中引导矮星系。” 现在,将近三年后,以更高的数据和更高的精度确认了图片。 没有任何其他迹象表明,暗物质的可能性比这项新研究的可能性大或小。 尽管如此,目前的这个团队对CDM整体持怀疑态度,并且更倾向于寻找其他解释,例如大型合并,以说明平面卫星的起源。

四个碰撞的星系团,显示出X射线(粉红色)和引力(蓝色)之间的分离,表明暗物质。 在大规模上,CDM是必需的,但是在小规模上,它并没有像我们所希望的那样成功。 图片来源:X射线:NASA / CXC / UVic。/ A.Mahdavi等。 光学/镜头:CFHT / UVic。/ A。 Mahdavi等。 (左上方); X射线:NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson等; 光学:NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson等。 (右上); ESA / XMM-牛顿/ F。 Gastaldello(INAF / IASF,意大利米兰)/ CFHTLS(左下); X射线:NASA,ESA,CXC,M。Bradac(加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校)和S. Allen(斯坦福大学)(右下)。

在与加州大学欧文分校的研究合著者Marcel Pawlowski的访谈中,他谈到了以下内容:

“大规模而言,[CDM]确实很成功。 我认为,总的来说,我们应该在方法上变得更加多样化。 另一方面,MOND在预测小规模动力学方面非常成功。 我很高兴将两者的成功结合在一起。 超流体暗物质就是这样一种有趣的可能性,它不仅可以为您带来大规模的暗物质成功,而且还可以在小规模上再现MOND效应。 我认为我们应该鼓励并进一步研究这些可能性。 我认为我们不应放弃任何事情,但我确实认为该领域应该追求这些替代方法。”

但是,就像发现重元素是由恒星而非早期宇宙产生的发现并没有使大爆炸无效一样,两种相互竞争的观点都有可能是正确的。 重子星系制造物质可能通过丝状路径流到星系上,CDM负责宇宙的大规模结构和特征,而且这些矮星是由主要合并本身产生的,而不是由预测产生的CDM。 但是,如果是这种情况,我们完全可以预期“后退”星系将由重子而不是暗物质主导。 有趣的是,矮矮星系显示出各种混合:在某些情况下,结果与CDM光晕的预测相符,而在另一些情况下,CDM的预测似乎严重高估了暗物质的质量。 一个统一的模型,说明了整套观察结果,仍然使我们望而却步。

与模拟银河系和仙女座星系合并的剧照不同。 当发生这样的重大合并时,可能会踢出大量碎片,从而形成以正常物质为主的卫星星系。 图片来源:NASA,ESA,Z。Levay,R。van der Marel,T。Hallas和A. Mellinger。

那么谁是正确的呢? 随着模拟变得更好地增加了诸如暗物质/辐射/正常物质相互作用,恒星形成反馈,局部奇特的速度效应等更多的动力学,它们确实与观测值更好地匹配,但仍然不是完美的,当然也不是普遍的。 另一方面,当试图复制宇宙网,宇宙微波背景或碰撞星系团的动力学时,暗物质的替代品仍然遭受相同的失败。 但是,只要缺少CDM的吸烟证据,保持开放的心态非常重要,并且还请记住,这是一个难题,与星系演化和合并有关的谜题多于与暗物质有关的谜题。 正如迈克尔·博伊兰·科尔钦(Michael Boylan-Kolchin)所说,“结果可能会导致人们更好地理解[冷暗物质]模型中的星系形成,或者推动推翻其基本假设。”

由于其在各个方面都取得了圆满成功,因此暗物质至少在目前是可以保留的。 但是,星系的形成和演化,尤其是在越来越小的规模上,将仍然是一个活跃的研究领域,并且在未来的许多年中仍存在许多未解之谜。

凭借《爆炸》的开始,现在在《福布斯》上发表,并在我们的Patreon支持者的支持下在《中等》上重新发布。 伊桑(Ethan)撰写了两本书,《超越银河》和《 Treknology:从Tricorders到Warp Drive的《星际迷航》。