橫跨3000萬(wàn)光年！銀河系外圍巨型暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)被天文學(xué)家破解

長(zhǎng)久以來(lái)，對(duì)本星系群的研究，天文學(xué)家一直有兩個(gè)無(wú)法調(diào)和的矛盾。

一個(gè)說(shuō)法是：銀河系和仙女座星系要維持如今互相靠近的運(yùn)動(dòng)，整個(gè)本星系群的總質(zhì)量至少得有2萬(wàn)億倍太陽(yáng)質(zhì)量，絕大部分都是不可見(jiàn)的暗物質(zhì)。

另一個(gè)說(shuō)法則是對(duì)周邊星系的運(yùn)動(dòng)觀測(cè)：我們附近的宇宙膨脹異常“安靜”，如果本星系群真有這么重，它的引力早該把周邊星系的退行速度拽慢一大截，這和實(shí)際觀測(cè)完全對(duì)不上。

這兩個(gè)無(wú)法調(diào)和的矛盾，甚至讓不少人懷疑，標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型是不是出了問(wèn)題？

兩個(gè)矛盾的根源要從1959年說(shuō)起。

當(dāng)時(shí)天文學(xué)家第一次把銀河系和仙女座當(dāng)成一對(duì)受引力約束的質(zhì)點(diǎn)，從大爆炸初始狀態(tài)出發(fā)，通過(guò)它們今天的距離、靠近速度，反推出本星系群的總質(zhì)量。

這也是人類最早通過(guò)動(dòng)力學(xué)證據(jù)發(fā)現(xiàn)本星系群里存在大量看不見(jiàn)的暗物質(zhì)。

但在此后幾十年的研究里，這個(gè)質(zhì)量估算始終和周邊的星系退行不相符：而越認(rèn)為暗物質(zhì)是球?qū)ΨQ分布，矛盾就越突出。

如果 硬要匹配周邊星系的退行速度的話，天文學(xué)家就只能給本星系群加極少的額外質(zhì)量，不像之前那么多，但這既不符合星系形成理論，也和兩個(gè)大星系的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)結(jié)果對(duì)不上。

這怎么辦呢？

發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上的這項(xiàng)新研究，終于給這個(gè)持續(xù)數(shù)十年的難題找到了完美解法。

來(lái)自荷蘭、德國(guó)、法國(guó)、瑞典的研究團(tuán)隊(duì)，徹底拋棄了沿用多年的球?qū)ΨQ假設(shè)，用一套更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募s束模擬方法，重演了本星系群的形成歷史。

他們先根據(jù)當(dāng)下的觀測(cè)數(shù)據(jù)——包括銀河系和仙女座的精確質(zhì)量、相對(duì)位置與運(yùn)動(dòng)，還有周邊31個(gè)孤立星系的退行速度，反推出宇宙大爆炸初期的初始密度場(chǎng)，再用高分辨率數(shù)值模擬，生成了169個(gè)完全符合觀測(cè)約束的本星系群“虛擬孿生宇宙”，最終鎖定了唯一能同時(shí)解釋所有觀測(cè)的答案。

我們的本星系群，根本不是被一個(gè)圓滾滾的球形暗物質(zhì)暈包裹著，而是在一張橫跨至少3000萬(wàn)光年的巨大暗物質(zhì)“薄餅”里。

這張薄片的扁平程度遠(yuǎn)超預(yù)期：在距離本星系群中心650萬(wàn)到1300萬(wàn)光年的范圍內(nèi)，暗物質(zhì)分布的短軸與長(zhǎng)軸比 平均僅為0.24，最大也不超過(guò)0.45，完全是扁平的片狀結(jié)構(gòu)，而非球狀或纖維狀。

薄片中平面的物質(zhì)密度是宇宙平均水平的2倍，而薄片上下，就是幾乎空無(wú)一物的宇宙空洞，物質(zhì)密度僅為宇宙平均值的四分之一左右。

最關(guān)鍵的是，這個(gè)扁平的幾何結(jié)構(gòu)剛好能解開(kāi)之前的質(zhì)量矛盾。

在球?qū)ΨQ的引力場(chǎng)里，一個(gè)天體感受到的引力只由它軌道以內(nèi)的總質(zhì)量決定。

但在扁平的片狀結(jié)構(gòu)里，規(guī)則完全變了：分布在薄片外圍、更遠(yuǎn)位置的質(zhì)量，會(huì)給內(nèi)側(cè)的天體施加一個(gè)向外的引力拉力，剛好抵消了一部分本星系群向內(nèi)的引力拉扯。

這就解釋了為什么哪怕周邊1300萬(wàn)光年范圍內(nèi)的總質(zhì)量，是銀河系加仙女座總質(zhì)量的4倍多，周邊星系的退行速度依然能保持觀測(cè)到的安靜狀態(tài)，不會(huì)被過(guò)度拽慢。

更有意思的是，這個(gè)通過(guò)動(dòng)力學(xué)推斷出的暗物質(zhì)薄片和天文學(xué)家早就觀測(cè)到的亮星系分布完美契合，它和銀河系所在的“本星系片”、周邊的“巨人家族”星系帶幾乎完全重合，上下的空洞也對(duì)應(yīng)著已知的本地空洞。

這也直接表明了，在我們鄰近的宇宙里，發(fā)光的普通物質(zhì)確實(shí)精準(zhǔn)地追蹤著暗物質(zhì)的分布。

這項(xiàng)研究還給出了一個(gè)清晰可檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)：我們附近的宇宙速度場(chǎng)是嚴(yán)重各向異性的。

在薄片平面內(nèi)，星系的內(nèi)落速度非常小，在距離本星系群中心800萬(wàn)光年之外，甚至?xí)霈F(xiàn)遠(yuǎn)離的運(yùn)動(dòng)；但在薄片上下的空洞里，物質(zhì)會(huì)以超過(guò)100公里每秒的速度朝著薄片高速下落。

之前我們沒(méi)能發(fā)現(xiàn)這個(gè)特征，只是因?yàn)殡x我們近的高緯度星系太少，未來(lái)只要找到更多鄰近的高銀緯矮星系，測(cè)量它們的運(yùn)動(dòng)，就能直接驗(yàn)證這個(gè)暗物質(zhì)薄餅?zāi)Ｐ汀?/p>

說(shuō)到底，這個(gè)困擾學(xué)界幾十年的矛盾，從來(lái)不是標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的問(wèn)題，而是我們一直想當(dāng)然地給暗物質(zhì)套上了球形的固有思維。