对遥远星系的观测揭开了暗物质的新谜团

据该团队称，这可能表明我们对重力的理解是错误的。

该研究使用引力透镜来推断质量。

图片来源：NASA；欧空局； J. Rigby（美国宇航局戈达德太空飞行中心）；和 K. Sharon（芝加哥大学 Kavli 宇宙物理研究所）来自 Flickr（CC BY 2.0）

对星系引力透镜的观测为我们更好地理解宇宙学提出了一个新的谜团。星系如何与暗物质结合在一起。

1933 年，瑞士天文学家 Fritz Zwicky 研究了后发星系团——一个直径超过 2000 万光年的大型星系团，包含数千个星系——并发现了一些非常奇怪的东西。考虑到星系和星团内的可见质量，星团内的星系以如此高的速度移动，它们应该相互远离。他假设该区域必须含有大量的“Dunkle Materie”（暗物质）才能保持星团稳定。 

如果这对你来说听起来不直观，这里用一根穿过篮球的绳子来简单地解释一下。

维拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）进行了进一步的研究，通过观察恒星靠近和远离我们时光波长的变化，绘制了螺旋星系内恒星的速度。他们发现了与兹威基相同的奇怪现象，以及此后的许多许多观察结果。位于人口稀少的螺旋星系边缘的恒星与恒星向银河系中心移动的速度一样快。

物理学家大致得出结论（尽管也有其他想法），这些星系和星系团中存在一种神秘物质，称为“暗物质”，它不发射、反射或吸收光，只通过重力与正常物质相互作用。更重要的是，在可观测的宇宙中，它的含量应该是构成恒星、行星、尘埃和我们所享受的其他一切的常规物质的五倍左右。

但在它首次提出近一个世纪后，我们仍然不知道它是什么。在一项新的研究中，凯斯西储大学的一组科学家发现了令人费解的观察结果，这可能会给暗物质模型的研究带来新的麻烦。该团队查看了 130,000 个星系的目录，并分析了前景中的星系与背景中的引力透镜星系的比例。这就是质量大的物体弯曲时空的地方，使光在它们周围弯曲。

如果观测到的星系边缘恒星的快速旋转是暗物质聚集在星系内部的结果，那么我们应该预计暗物质晕会在距星系中心一定距离处消失。然而，研究小组发现，光的弯曲持续的距离比暗物质模型预期的要远得多。 

研究小组在论文中解释道：“圆周速度曲线与平坦至数百千秒差距一致，甚至可能为 1 Mpc，没有达到 DM 光晕边缘的迹象。”

这些观测结果对现有模型提出了挑战，现有模型预计，当远离银河系中心时，绕轨道运行的恒星的速度会下降。研究小组称，放置在这些更远区域的恒星将显示出与可见银河系边缘的恒星相同的平坦速度。 

研究小组表示，观测结果可能表明暗物质晕的延伸范围比我们想象的要远得多。或者，如果这种效应得到证实或发现进一步延伸，则可能表明我们对重力的理解遗漏了一些东西。

“这一发现的影响是深远的，”艺术与科学学院天文学教授兼主任史黛西·麦高在一份声明中说。 “它不仅可以重新定义我们对暗物质的理解，而且还号召我们探索替代的引力理论，挑战现代天体物理学的根本结构。 ”

暗物质宇宙学还有其他选择，包括修正牛顿动力学（MOND）。  在 MOND 中，星系的奇怪旋转是通过加速度非常低的物体（如星系边缘的物体）所经历的重力变化来解释的。当重力加速度足够小时，就会发生不同的重力行为。

暗物质仍然是大多数物理学家青睐的解释，其优点是它允许科学家对宇宙及其内部物体做出预测，而 MOND 尚未做到这一点。它的解释也受到子弹星团存在的挑战，子弹星团是两个星系团之间的碰撞，显示出与暗物质模型一致的质量分布。

尽管如此，这是一组有趣的观察结果，需要进一步关注和调查。也许暗物质晕比我们想象的更远，或者我们对引力的理解是不正确的。值得庆幸的是，随着欧洲航天局的欧几里得任务绘制宇宙的大尺度结构图，我们很快就会得到更完整的图景。

该研究发表在《天体物理学杂志快报》上