橫跨3000萬光年！銀河系外圍巨型暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)被天文學(xué)家破解

長久以來，對本星系群的研究，天文學(xué)家一直有兩個無法調(diào)和的矛盾。

一個說法是：銀河系和仙女座星系要維持如今互相靠近的運(yùn)動，整個本星系群的總質(zhì)量至少得有2萬億倍太陽質(zhì)量，絕大部分都是不可見的暗物質(zhì)。

另一個說法則是對周邊星系的運(yùn)動觀測：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)際觀測完全對不上。

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

兩個矛盾的根源要從1959年說起。

當(dāng)時天文學(xué)家第一次把銀河系和仙女座當(dāng)成一對受引力約束的質(zhì)點(diǎn)，從大爆炸初始狀態(tài)出發(fā)，通過它們今天的距離、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動力學(xué)證據(jù)發(fā)現(xiàn)本星系群里存在大量看不見的暗物質(zhì)。

但在此后幾十年的研究里，這個質(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，也和兩個大星系的內(nèi)部動力學(xué)結(jié)果對不上。

這怎么辦呢？

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

來自荷蘭、德國、法國、瑞典的研究團(tuán)隊，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)下的觀測數(shù)據(jù)——包括銀河系和仙女座的精確質(zhì)量、相對位置與運(yùn)動，還有周邊31個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，再用高分辨率數(shù)值模擬，生成了169個完全符合觀測約束的本星系群“虛擬孿生宇宙”，最終鎖定了唯一能同時解釋所有觀測的答案。

我們的本星系群，根本不是被一個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650萬到1300萬光年的范圍內(nèi)，暗物質(zhì)分布的短軸與長軸比 平均僅為0.24，最大也不超過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，這個扁平的幾何結(jié)構(gòu)剛好能解開之前的質(zhì)量矛盾。

在球?qū)ΨQ的引力場里，一個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，會給內(nèi)側(cè)的天體施加一個向外的引力拉力，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到的安靜狀態(tài)，不會被過度拽慢。

更有意思的是，這個通過動力學(xué)推斷出的暗物質(zhì)薄片和天文學(xué)家早就觀測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)研究還給出了一個清晰可檢驗(yàn)的預(yù)測：我們附近的宇宙速度場是嚴(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800萬光年之外，甚至?xí)霈F(xiàn)遠(yuǎn)離的運(yùn)動；但在薄片上下的空洞里，物質(zhì)會以超過100公里每秒的速度朝著薄片高速下落。

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

說到底，這個困擾學(xué)界幾十年的矛盾，從來不是標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的問題，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。