2018年,一个国际研究团队使用美国航空航天局(NASA)/欧洲空间局(ESA)的哈勃空间望远镜Hubble Space Telescope)和其他几个天文台的数据,首次发现了一个缺失部分物质星系。这个星系位于银河系的邻居鲸鱼座(Cetus)之中,名为NGC1052-DF2,距离我们4500万光年。

NGC 1052-DF2星系的这一奇怪发现,令天文学家倍感意外,因为依据现有的理解,暗物质是当前星系形成和演化模型中的关键组成部分。实际上,如果没有暗物质的存在,原初气团将缺乏足够的引力来开始它的塌陷过程,也就无法并形成新的星系。

在此一年之后,研究人员又发现了另一个缺失暗物质的星系,NGC 1052-DF4星系,这进一步引发了天文学家关于这些天体性质的激烈争论。

来自哈勃的新数据,解释了消失的暗物质

来自NASA / ESA哈勃空间望远镜的新数据,为NGC 1052-DF4星系的潮汐破坏提供了进一步的证据,这一结论解释了此前的奇怪发现,即该星系缺失了它的大部分暗物质。通过研究星系发出的光和球状星团的分布,天文学家得出结论:来自邻近星系NGC 1035的引力将NGC 1052-DF4的暗物质剥离了出去,而这一强大的引力作用现在正在逐渐拆解NGC 1052-DF4星系。上面的图像是根据构成数字巡天第二阶段(Digitized Sky Survey 2)的图像创建的,显示了NGC 1052-DF4周围的天空
图片来源:ESA /哈勃、NASA、数字巡天第二阶段
致谢:戴维德·马丁(Davide de Martin)

现在,研究人员用哈勃的新数据来解释为什么NGC 1052-DF4中会缺失大部分暗物质。澳大利亚新南威尔士大学(University of New South Wales)的米雷亚·蒙特斯(Mireia Montes)带领的一个国际天文学家团队,使用深光学成像技术研究了这个星系,他们发现,潮汐破坏(tidal disruption)的影响可以解释缺失的暗物质。邻近的大型星系NGC 1035的引力正在将NGC 1052-DF4裂解开来,在此过程中,暗物质被去除了,而恒星在随后的阶段中感受到的则是与另一个星系相互作用的影响。

直到现在,天文学家也很难发现暗物质以这种方式被去除掉,因为只有使用能够揭示极微弱特征的极深图像,才能观察到这种情况。“我们以两种方式使用到了哈勃望远镜,发现NGC 1052-DF4正在发生某种相互作用,”蒙特斯解释说,“这两种方式分别是研究星系的光和球状星团的分布。”

来自哈勃的新数据,解释了消失的暗物质

上面的图像展示了NGC 1052-DF4星系周围的区域,由西班牙特内里费岛泰德天文台Teide Observatory)的IAC80望远镜所拍摄,图像突出显示了视野中的主要星系,包括NGC 1052-DF4(位于图像的中心)及其相邻的NGC 1035(位于图像左侧中部)。
图片来源:米雷亚·蒙特斯等人

由于哈勃望远镜具有很高的分辨率,天文学家可以从所得数据中识别出星系的球状星团。通过进一步研究西班牙加那利群岛上口径长达10.4米的加那利大型望远镜(Gran Telescopio Canarias,GTC)和IAC80望远镜的数据,研究人员对哈勃的观测结果做出了相应的补充。

“仅仅花费大量的时间在数据观察上是远远不够的,仔细地处理数据才是至关重要的,”西班牙加那利天体物理研究所(Instituto de Astrofísica de Canarias)的团队成员劳尔·因凡特-塞恩斯(Raúl Infante-Sainz)解释说,“因此重要的是,我们要使用的不只是一台望远镜或仪器,而是多个地基和太空中的观测仪器来进行这项研究。利用哈勃望远镜的高分辨率,我们可以识别出球状星团,然后利用加那利大型望远镜的光度测量,我们可以得到星系的物理特性。”

科学家认为,球状星团是在剧烈的恒星形成过程中形成的,多个恒星的形成则进一步塑造了星系。这些星团因恒星紧密地聚集在一起而产生了易于观察的边界和光度,因此可以很好地说明它们所在星系的性质。通过研究和表征NGC 1052-DF4星系中星团的空间分布,天文学家可以深入地了解星系本身的当前状态,而这些星团的直线形排列表明,它们正在从宿主星系中被“剥离”,这支持了潮汐破坏事件正在发生的结论。

通过研究星系的光,天文学家也捕捉到了潮汐尾(tidal tails)的证据,它们是由远离NGC 1052-DF4的物质形成的,这进一步支持了以下结论:这是一个潮汐破坏事件。进一步的分析得出的结论是,星系的中心部分未受影响,星系中仅有7%的恒星质量处于潮汐尾中。这意味着一开始的时候,暗物质被优先从星系中剥离出来,因为暗物质的密度比恒星低,而现在,星系外围的行星部分也开始被逐渐剥离。

“这为我们提供了一个很好的指示:虽说星系中的暗物质已经从系统中蒸发掉了,但恒星才刚刚开始受到潮汐破坏的影响,”西班牙西班牙加那利天体物理研究所的成员伊格纳西奥·特鲁希略(Ignacio Trujillo)解释说,“随着时间的推移,NGC 102-DF4将被围绕NGC 1035的大型系统拆解吞噬,至少会有其中的一些恒星在深空中自由地漂荡。”

作为对于星系缺失暗物质的原因解释,支持潮汐破坏机制的证据发现不仅解决了一项天文学难题,也让天文学家们松了一口气,因为如果没有它,科学家或许就不得不修订我们对引力定律的理解。

蒙特斯补充说:“这项发现,让有关星系如何形成和演化的现有知识,与最有利的宇宙学模型达成了一致。”

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/new-hubble-data-explains-missing-dark-matter

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