蜻蜓44星系的永恒之谜，迫使天文学家发明了星系演化的新理论

2016年，耶鲁大学的彼得·范·多库姆发表了一篇重磅论文，声称发现了一个星系，该星系非常昏暗，以至于几乎完全看不见。他们估计，这个被称为蜻蜓44的星系99.99%是暗物质。一场关于蜻蜓44号的激烈争论一直没有停止。与此同时，已经发现了1000多个同样巨大但微弱的星系。

蜻蜓44及其同类被称为超扩散星系（UDGs）。虽然超扩散星系可以和最大的普通星系一样大，但它们异常昏暗。在天文望远镜对天空的观测中，要过滤掉噪音而又过滤掉这些星系的信号是一项艰巨的任务，天文学家保罗·班纳特说。在其他星系中丰富的，形成恒星的明亮气体似乎已经在超扩散星系中消失了。

为了解释蜻蜓44和其他超扩散星系是如何产生的，出现了一些疯狂的新理论。这些巨大的光斑可能为暗物质的存在提供了新的证据。

暗物质

当引力把一团团气体和恒星聚集在一起时，它们的能量和动量的结合会使这个混合物体膨胀和旋转，从而星系出现了。

只有一个问题。当星系旋转时，它们应该会分开。它们似乎没有足够的质量（也就没有足够的引力）来聚集在一起。暗物质的概念被发明出来是为了弥补“缺失的引力”。在文章开头的图中，一个星系位于一个更大的不发光粒子聚集体中。暗物质“光晕”将旋转的星系维系在一起。

要估计一个星系的旋转速度，进而估计它的暗物质含量，需要计算它的球状星团。这些球状星团的数量与那些难以测量的属性密切相关。在2016年的论文中，研究人员统计了蜻蜓44号内部的94个球状星团，这个数字暗示了一个非常大的暗物质晕。

研究人员认为，蜻蜓44可能是一个“失败的银河系”：一个拥有银河系大小的暗物质晕的星系，在早期经历了一个神秘的事件，剥夺了它的恒星形成气体，留给它的只有老化的恒星和一个巨大的晕。

或者没有暗物质

该天体引起了另一阵营天文学家的兴趣，他们认为暗物质根本不存在。这些研究人员通过调整牛顿引力定律来解释星系的引力缺失，这种方法被称为修正牛顿动力学。

根据修正牛顿动力学，每个星系的修正引力是通过恒星的质量光比计算出来的（它们的总质量除以它们的光度）。修正牛顿动力学的理论家们并没有推测为什么这个力会依赖于这个比率，但是他们的公式与大多数星系的观测速度相匹配，而不需要调用暗物质。

当蜻蜓44号的消息传出时，天文学家史黛西·麦高夫根据它的质量光比计算出，它的旋转速度应该比多库姆最初估计 的 要慢。该计算似乎与数据不符。

但在2019年，多库姆的团队使用改进的数据降低了蜻蜓44号的旋转速度。修正牛顿动力学是正确的。

尽管如此，对于大多数相信暗物质存在的天文学家来说，较慢的自转速度只是意味着蜻蜓44号的光晕比他们想象的要小。2020年，一个独立的研究小组通过计算更少的球状星团进一步缩小了光环，但多库姆对这一结果表示怀疑。尽管光环的大小尚不确定，但它的质量可能比最初设想的要小，这表明蜻蜓44号终究不是一个失败的银河系。

老的星系

一个新发现的怪事使这个谜团更加复杂。在今年8月发表的一篇论文中，范多库姆的团队发现蜻蜓44号极其古老，形成于100亿至130亿年前。但如此古老的星系不应该像蜻蜓44号那么大。早期宇宙的物体往往更致密，因为它们是在宇宙快速膨胀之前形成的。

此外，这样一个古老的星系到现在应该已经完全四分五裂了。蜻蜓44号一直保持在一起意味着它有一个巨大的暗物质晕，这可能会恢复“失败的银河系”假说。

另一种解释是“高自旋”假说，假设两个小星系在向同一个方向旋转时合并，因此产生的星系“蜻蜓44”获得了两个星系的角动量。这使得它旋转得更快。

多种多样的超扩散星系

在对蜻蜓44号的仔细研究中，天文学家还记录了大量其他超扩散星系的种类。这些发现迫使他们得出这样的结论：星系的形成方式比他们所知道的要多。

一些新发现的超扩散星系似乎完全缺乏暗物质。多库姆的团队在2018年发现了一个这样的星系，然后在附近发现了其他星系的踪迹。今年5月，该团队在《自然》杂志上推测，这条痕迹是在很久以前两个星系碰撞时形成的。碰撞减缓了星系气体的流动，但它们的暗物质仍在继续，就像什么都没发生过一样。气体随后被压缩成恒星团，最终形成了一连串不含暗物质的星系。

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与此同时，班纳特在2018年发现了两个超扩散星系，它们指向一个不同的形成理论。在每一种情况下，来自附近一个重星系的潮汐力似乎撕开了超扩散星系，把它吹出来并偷走了它的气体。

令人困惑的是，9月份的一篇论文报道了超扩散星系中最近的恒星形成，这与它们只包含老恒星的观点相矛盾。

这一系列超扩散星系表面上看起来一样，但内部不同，这可能验证了修正牛顿动力学的暗物质理论。要想确定答案，需要新的望远镜。新投入使用的詹姆斯·韦伯太空望远镜已经观测到了遥远星系在宇宙早期形成时的样子，这将有助于测试和完善这些新想法。