“另类”矮星系 挑战经典矮星形成理论

11月26日凌晨，国际科学期刊《自然·天文》(Nature Astronomy)在线发布我国天文学家的一项重要发现：他们发现在近邻宇宙有一类特殊的矮星系，在其几万光年的半径内，都主要由重子物质构成，暗物质只占其中一小部分。这与目前在标准宇宙学模型下的矮星系形成理论预言相违背，从而对冷暗物质的本质提出质疑，对经典的矮星系形成理论提出挑战。该工作以中国科学院国家天文台科研团队为首，联合北京大学和清华大学的科研团队共同完成。

图1： 暗物质主导了结构形成， 星系在由暗物质主导的暗晕中形成和演化。图示为超级计算机模拟的结构形成，边长大概2亿光年。 从黑色、绿色、黄色、粉色到白色显示了密度从低到高的变化，暗晕对应于白色的高密度区域。

在以暗能量和冷暗物质主导的标准宇宙学模型下，星系在暗物质晕中形成和演化。在大质量的系统中，重子比例可达到宇宙的平均值，这一比例随着暗晕质量的减小迅速降低。由于低质量系统束缚重子的能力比较弱，在矮星系系统中，通常认为其重子物质含量相对于暗物质是非常少的，这也在我们银河系和本星系群的卫星星系中得到证实。不同于大的星系，在这些卫星星系中，即使在半光半径之内，都是暗物质主导的。遗憾的是，由于矮星系的光度非常暗，目前关于矮星系中的动力学研究只能局限在非常近邻的宇宙中，大部分在本星系群内或者本星系群周围。

图2：新发现的奇特矮星系之一—— UGC7920。 图片来源：DECaLS-DR8

以中国科学院国家天文台郭琦研究员为首的科研团队，结合斯隆数字化光学巡天和Arecibo的中性氢巡天结果，首次对本星系群外的矮星系的动力学展开统计研究。他们发现了一类特殊的矮星系，不同于以往的观测数据和数值模拟的预言结果，这些矮星系在HI覆盖的区域都是由重子物质主导的。中性氢覆盖区域通常在几万光年，在典型的矮星系系统中， 该区域的暗物质质量是重子物质质量的十到几百倍。特别地，他们发现的这类矮星系大部分是孤立系统，并不会受到外界环境的影响。目前，在标准宇宙学模型下，没有任何理论或者数值模拟能够解释这类星系的形成。

这一发现对标准宇宙学模型，以及该模型下的星系形成理论提出了重大质疑，促使人们重新审视暗物质的本质——温暗物质或者Fuzzy暗物质模型将更易于解释此类矮星系的形成。另一方面， 极端条件下的重子过程也提供了可能的一种解释。回答这些问题将需要进一步借助更先进的望远镜。

关键词： 矮星系 形成理论