暗物质——早期宇宙星系的主要物质

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原作：AAS NOVA

翻译：张国双

校对：何永强、李宜骅

编排：王璞

后台：李子琦

原文链接：Dark Matter–Dominated Galaxies in the Early Universe - Sky & Telescope - Sky & Telescope (skyandtelescope.org)

最新的研究表明：早期宇宙中的小星系中心可能以暗物质为主

欧几里得航天器拍摄到的螺旋星系NGC 6744照片。该星系的结构与银河系相似。

宇宙初期的小星系中心可能以暗物质为主。新的研究深入到宇宙学模拟中，探索这些星系在今天的宇宙中是什么样子，以及对于过去的银河系来说，暗物质发挥着什么作用。

小星系中的暗物质的历史

近期，安娜·德·格拉夫带领的研究团队（马克斯·普朗克天文研究所）利用詹姆斯韦布望远镜观测到宇宙初期的六颗微小低质量星系。研究结果出人意料：但中心主要是暗物质——一种既不会发出光也不会吸收光的物质形式。虽然在当今宇宙中，据推测暗物质大致占宇宙物质的85%，但研究表明目前宇宙浩瀚星系的核心部分大多数仍是正常物质。

为了检验詹姆斯韦布望远镜中心的这种新奇的发现是否符合宇宙进化的理论认知，并且探究这些暗物质为主的星系是如何演化到今天的，安娜·德·格拉夫和同事们利用TNG50模型——一种大型宇宙学模型，来追溯宇宙的前世今生。

模拟过程分析

在这张图中，“正常物质（非暗物质）”的分数，即TNG50模拟的星系核心位置中重子物质相对于所有物质（fbaryon）的比例（图中用小圆圈表示），与用詹姆斯韦布望远镜观测到的星系中的重子物质分数相比（图中用六边形表示）。

德·格拉夫等人/天体物理学杂志快报 2024

利用TNG50模型，研究团队选择了381个模拟星系，其红移和恒星质量接近詹姆斯韦布样本中的真实星系。研究者们发现模拟样本中的低质量星系——恒星质量小于3亿倍太阳质量的星系——的中心主要为暗物质，仅包含10%-30%的正常物质。星系的恒星质量越高，中心正常物质的比例也就越高。

虽然该团队指出，很可能他们利用詹姆斯韦布望远镜研究的星系只显示了暗物质为主的核心部分，但研究结果与德格拉夫的团队利用詹姆斯韦布望远镜观察到真实星系情况一致。例如，如果这些星系中心的气体被新形成的恒星的流出物破坏，就可能会扭曲对暗物质数量的估计。由于模拟的星系确实有暗物质为主的核心，因此该研究结论也表明这可能是星系演化中的一个真实阶段。

核心暗物质部分发生红移的图。彩色线条和阴影区域显示了 TNG50 的模拟结果，彩色标志表示观察到的研究结果。

核心暗物质比例在宇宙时间内的演化，其中数值较高的红移代表其宇宙历史更长久。彩色线条和阴影区域表示 TNG50 的模拟结果，彩色标志表示观察到的研究结果。

de Graaff 团队/天体物理学杂志快报 2024

在宇宙历史后期，这些早期以暗物质为主的星系会是什么样子？模拟中，星系合并膨胀，已经从381个减少到只有213个。在z = 3的红移处——也就是所谓的宇宙正午时期，届时恒星形成率最高——低质量暗物质为主的星系已经成为含有100亿太阳质量的恒星星系，大小和同时期的其他星系相似。

到今天，这些同类星系已经积累了额外的恒星质量，约有300亿太阳质量的恒星——大致与银河系中恒星质量等重——并且中心不再有大部分暗物质。虽然要想弄清这种情况还有很多工作要做，但目前的研究结果表明银河系和当今宇宙中类似的星系都曾是暗物质为核心的小型低质量星系。

责任编辑：杨欣冉

牧夫新媒体编辑部

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暗物质

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