也谈缺乏暗物质的超弥散星系NGC 1052-DF2
星系NGC1052-DF2缺乏暗物质成分这一新闻算得上近日的热点话题。按照正统的理论，星系中的重子物质质量都要比实际的质量小很多，这剩下的大部头就是由暗物质贡献的了。但隶属于NGC1052星系群的NGC1052-DF2却反其道而行之，它的结构极为疏松，根据观测证据反推出的暗物质质量又只有预期的数百分之一，因此乍看之下很是古怪，一时间对暗物质模型的质疑声也是此起彼伏。
暗淡的NGC1052-DF2星系（右），左侧是将两个“正常”的矮星系NGC 147和NGC 185放置到同样的距离上进行比较，可见前者的直径明显较后二者大得多。（图片提供：P. van Dokkum/R. Abraham/STScI）
NGC1052-DF2属于之前介绍过的超弥散星系（UDG），以表面亮度低、形态弥散为突出特征（其实与其他UDG相比，直径只有2200秒差距的NGC1052-DF2也算不上多大了）。但最早发现的一批UDG不仅具有暗物质，而且含量还不低，甚至在中心区域都能由暗物质主导。在这些星系中，暗物质发挥着纽带的作用，将稀疏的恒星联结在一起，跟NGC1052-DF2不可同日而语。
那么NGC1052-DF2的暗物质含量是如何计算出来的？答案是其中的球状星团，或者说是其中理应是球状星团的天体。由于NGC1052-DF2结构弥散的特征，我们几乎可以“看穿”整个星系，进而找到星系中一些较为明亮且致密的斑块，它们的形态就像是从足够远的距离上看到的河内星团，只是其体积要比已知的同类天体更大，椭率也更突出，银河系中的半人马ω星团可能是较好的一个类比。
NGC1052-DF2中应该属于球状星团的10处亮斑的位置。（图片来源：van Dokkum et al. 2018）
通过对这些亮斑进行光谱观测，我们就可以了解它们的运动速度，进而求出其轨道内侧的总质量了。整个星系中的可见物质质量则通过两种方式估算：将亮斑的质光比推广到整个星系中，以及借助一组性质与亮斑相同、距离与NGC1052-DF2相等的模拟恒星族群进行估算。两种方法得到的恒星质量都在太阳的108倍量级上，而经由星团运动运动求出的暗物质的数量与之几乎相同。
对于银河系规模的星系而言，暗物质与可见物质的质量比通常在30左右。质量大于或小于银河系的星系，暗物质的比例都有所上升。运动学方法NGC1052-DF2的暗物质与可见物质数量几乎相等，这意味着该星系中的暗物质只有预期的400分之一。当然，暗物质缺乏并不等于完全不存在，这其中的区别还是必须要澄清的。
远低于理论预期的暗物质成分有无合理解释？有人对NGC1052-DF2的20兆秒差距距离测量提出了质疑。如果这个星系离我们更近的话，同样的视亮度就意味着更小的尺度、更少的恒星质量和更高的暗物质比例，NGC1052-DF2至少也就不会显得如此异常了。但NGC1052-DF2毕竟身处NGC1052的势力范围内，其中的某些特殊星族未被观测到的事实以及表面亮度起伏的现象又进一步限制了它与地球的可能距离，20兆秒差距这个数字就算有差错，也不会差得太离谱。
此外，还有说法在质疑球状星团能否作为星系质量的良好示踪体。先前针对天炉星系团成员矮星系中球状星团的测量已经给出了极低的暗物质质量，但那次的情况又不一样——这个矮星系的核心区域如果不存在足够的暗物质，那么星团在较短时间内就会因为动力学摩擦的效应落入星系中心，暗物质的引入反而能够避免窘境。鉴于球状星团曾经被用于各种大小的星系的质量测量，这个方法本身如果存在问题，影响的就不只是NGC1052-DF2一个星系了。只是就UDG而言，因为星系本身的亮度极低，只用少数最亮的星团（样本的选择难说无偏）来试图了解整体，置信度也说不上有多高。
其实就算一个星系中暗物质极度匮乏，也并不意味着要涉及暗物质的星系形成理论本身存在严重问题。在较小尺度上，有多种机制可以造就暗物质含量远低于正常值的星系，比如有说星系并合期间甩出的气体潮汐尾可能在日后发生坍缩，形成恒星分布极为稀疏又缺乏暗物质的小型星系；又有理论认为，一个小型星系从大型椭圆星系周边经过时，大部分暗物质成分都可能被后者剥离掉，同时恒星的分布又变得更加蓬松。只是NGC1052-DF2并未表现出近期遭受扰动的迹象，这些观点难称完善。
但必须指出的是，NGC1052-DF2的怪现象并不意味着暗物质的冤家对头——修正牛顿动力学理论（MOND）是正确的，因为MOND往往认为引力的形式并非一成不变，由此计算出的球状星团运动跟实际的差别更是离谱。
