中法联合实验室研究团队发现反驳矮星系中暗物质存在的证据

过去，天文学届普遍认为矮星系中恒星的运动速度完全是由其自身的引力驱动的，并由此推断暗物质存在于矮星系中，而且比率远远大于其可见物质。近日，发表在美国天体物理学报（ApJ）的一项研究成果驳斥了这一观点，并证明矮星系中恒星的运动实际上仅仅只是反映了来自银河系的引力作用。这项研究在矮星系、暗物质以及银河系引力场分布等研究领域开辟了全新的思路。

从上世纪70年代起，大部分天文学家确信地认为暗物质是组成宇宙物质的主要部分。美国天文学家薇拉·鲁彬（Vera Rubin）第一个意识到：必须有额外的物质存在，才能解释漩涡星系边缘的高速旋转曲线。而这些物质一直都没有被直接观测到，天文学家将其称之为暗物质（或者不可见物质）。随后，荷兰天文学家艾伯特·博斯马（Albert Bosma）进一步证实了这一观点：真正需要暗物质解释的部分更倾向于分布在星系盘的边缘和星系的晕中。到了80年代，美国天文学家马克·阿伦森（Marc Aaronson）发现了类似的观测效应。而这次，是在银河系的矮星系中！ 

从那时起，不断有新的矮星系被发现，并且天文学家都会仔细的测量其中的恒星运动速度。所有的这些研究都发现矮星系中的恒星运动速度是如此之快，根本无法用矮星系自身恒星总质量（或者说可见物质的质量）所产生的引力来解释。如果假设每一个矮星系自身都是动力学平衡的，天文学家可以通过其恒星运动速度计算出相应的引力质量。这个质量随后被解释成了暗物质。在这个假设的理论框架下，来自银河系的引力是可以完全忽落不计的。

然而，“银河系的引力场对矮星系究竟有多大的影响”这个问题并没有被深入研究过。

相对银河系而言，矮星系的恒星总质量是很小的。最小的那些矮星系只由几千颗恒星组成。通过分析这些矮星系的动力学性质，中法联合实验室的天文学家们发现之前计算的矮星系引力质量和银河系对其施加的引力高度相关（见图一），其随机产生的概率只有百亿分之一。并且，这个关系的存在和矮星系的恒星总质量没有关系。这唯一的结论只能是矮星系中的恒星的运动速度完全是被银河系的引力场控制的。反观矮星系中的“暗物质”，即使存在的话，相对来讲也是微不足道的。我们如何才能解释这个观测结果呢？   

 全新的思路

中法联合实验室提出并证明，如果矮星系是第一次进入银河系的引力场，银河系的潮汐引力可以严重地破坏矮星系的稳定性，并直接控制其中恒星的运动速度，正如我们所观测到的。而这个过程不需要暗物质参与。这个观点的雏形很早就被一些天文学家意识到了，但是没有受到太多重视。大部分研究者只是简单的认为这些矮星系在几十亿年前就存在于银河系的晕中。此外，这个新的观点与最近几年发现的大小麦哲伦云是第一次闯入银河系的事实完全吻合。这些都支持着银河系的潮汐引力确实影响了矮星系中恒星的运动。 

这个全新的观点完整地解释了矮星系的引力质量和银河系对其施加的引力高度相关的事实；并且指出，在知道矮星系到银河系的距离以及他们的大小情况下, 恒星沿视线方向的运动速度可以准确的计算出来。这些矮星系坠入银河系的物理过程极有可能是这样的：在他们接近银河系之前（大约10亿年前），这些矮星系中存在着大量的气体。当他们进入银河系的范围后，由于其高速运动，矮星系的气体受到了银河系晕中非常高温的热气体的压力。在矮星系穿越银河系晕的过程中，热气体的压力“快速地”剥离了矮星系中的气体，导致剩余的恒星结构彻底瓦解，进入极不稳定的膨胀过程，随后被银河系的引力场所控制，最终出现了我们观测到的现象(见数值模拟视频)。 

矮星系中暗物质存在与否需要重新审视

“此研究成果不仅可以解释银河系的矮星系，也适用于仙女座大星系中的矮星系，因此我们必须对矮星系中暗物质重新地认识。”，文章的第一作者，法国天文学家弗朗索瓦？哈默（Francois Hammer）指出，“尽管此项研究不能直接证明矮星系中不存在暗物质，但是也没有理由说明其存在性，因为我们没有任何证据了。目前，研究团队正在利用GAIA卫星的最新数据对此项研究成果给出的多项预言进行进一步认证。” 　　

此项研究是在中法联合实验室的框架下完成的。相关研究成员包括Francois Hammer (巴黎天文台)，杨雁宾(巴黎天文台)，Frédéric Arenou(巴黎天文台)，Carine Babusiaux (IPAG, Université de Rhone-Alpes)，王建岭（中国国家天文台），Mathieu Puech（巴黎天文台)，Hector Flores (巴黎天文台)。

此项研究成果于2018年6月14日发表在美国《天体物理学报》上。

图一：纵轴表示矮星系的“暗物质”与恒星质量比，横轴表示银河系引力加速度与矮星系恒星质量产生的引力加速度比。图中，每一个点代表一个矮星系。实线是对数据点的拟合，显示了矮星系的暗物质与恒星质量比从10到4000的难以置信的相关性。点线是矮星系第一次穿越银河系情况下的理论预测的结果。 

图二:纵轴：观测到的矮星系中恒星在沿视线方向的速度弥散。横轴，在矮星系第一次穿越银河系情况下的理论预测值。很明显，二者相当吻合。版权: Observatoire de Paris - PSL/ Hammer et al. 2018 

    巴黎天文台Youtube频道，数值模拟视频演示了富气体的矮星系第一次穿越银河系时极有可能发生的物理过程。