暗物质主宰了早期宇宙？

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主译：甘林

校对：酥油饼

审核：牧夫天文校对组

美编：张一帆

后台：李子琦

https://alma-telescope.jp/news/press/dm-202502.html (有删减)

科维理宇宙物理学与数学研究所(Kavli IPMU)的约翰·西尔弗曼教授等人组成的国际研究团队通过分析 ALMA 望远镜的观测数据，发现约 130 亿光年外包含超大质量黑洞的两个星系的光晕中，暗物质占据主导地位。这一研究成果为早期宇宙暗物质与超大质量黑洞之间的关系，以及星系如何演化至今提供了新的见解。

1970 年代，天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）通过观测近邻星系，发现星系的外缘部分以比预期更快的速度旋转。按照牛顿力学的假设，如果星系仅由恒星和气体组成，那么其外缘的恒星和气体的运动速度应该比星系中心附近的速度更慢。然而，鲁宾的观测结果却与这一预测相反，这一现象后来被称为“平坦的旋转曲线”。

这一发现表明，星系周围存在大量不可见的质量（暗物质晕），使得远离星系中心的恒星和气体仍能以高速运动。这发现首次揭示了暗物质的引力在星系中起着关键作用。然而，尽管暗物质在宇宙演化中具有重要性，关于早期宇宙中暗物质的存在及其分布，迄今为止仍缺乏观测上的限制，依然是一个未知的问题。

此次，研究团队调查了约 130 亿光年外包含超大质量黑洞的星系中的暗物质的量。西尔弗曼教授谈到本次研究时表示：“维拉·鲁宾通过邻近星系的旋转曲线首次提供了暗物质晕存在的证据。而我们这次在早期宇宙中采用了相同的方法。”

研究团队利用 ALMA 望远镜观测到的电离碳（C⁺）的辐射谱线数据，研究了红移 6 处的两个拥有超大质量黑洞的类星体母星系中的气体运动。星系气体的速度变化可以通过蓝移气体（朝向观测者运动）和红移气体（远离观测者运动）来捕捉（图 1）。

■图1 左图：彩色图像与黑色等高线显示了 P009-10 在晕尺度上的电离碳（C⁺）气体分布。类星体（大黑色十字）所在的星系核气体分布由紫色等高线表示。

右图：电离碳（C⁺）辐射的速度场，范围从 -200 km/s（蓝色，朝向观测者运动）到 +200 km/s（红色，远离观测者运动）。

结果显示，在巨大的暗物质晕内，气体呈现出一致的旋转运动。（Credit: Fei et al.）

通过分析每个星系的旋转曲线，研究团队发现暗物质约占整个星系系统总质量的 60%。有趣的是，近年来另一研究团队的研究报告称，在比本研究所探测的星系更近的宇宙中，星系的旋转曲线在外缘部分出现下降趋势，这意味着这些星系系统中的暗物质比例较低。

图 2:远方星系的旋转曲线。本研究团队的数据（红线和蓝线）与红移 z~0 附近的邻近巨大盘状星系（灰色虚线）相似，其旋转曲线保持相对平坦（即在外缘仍维持较高速度）。这表明，要解释这些恒星和气体在星系外缘仍保持较高速度的现象，暗物质必须占据主导地位。相比之下，红移 2-3 的其他星系（灰色数据点）显示其旋转曲线在星系外缘出现下降趋势，意味着其暗物质比例较低。（Credit: Fei et al.）

然而，本研究团队对数据的分析表明，拥有超大质量黑洞的远方星系的旋转曲线与地球附近的大型盘状星系相似，呈现出“平坦的旋转曲线”。也就是说，即使在星系的外缘，恒星和气体仍然以较高的速度运动，这表明星系晕中需要大量的暗物质来解释这一现象（图 2）。本研究成果为暗物质与超大质量黑洞之间复杂关系提供了新的视角，并为理解从早期宇宙到现今的星系演化提供了新的见解。

本研究成果已由 Fei 等人以 “Assessing the dark matter content of two quasar host galaxies at z∼6 through gas kinematics.”为题，发表在美国天体物理学专业期刊《Astrophysical Journal》上。

https://www.ipmu.jp/ja/20250207-darkmatter初期宇宙の銀河でもダークマターが優勢か（（东京大学国际高等研究所科维理数物联动宇宙研究机构的文章）

https://kiaa.pku.edu.cn/info/1031/9940.htm Researchers find dark matter dominating in early universe galaxies （北京大学科维理天文与天体物理研究所的文章）

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

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