天文學(xué)家利用美國宇航局錢德拉x射線天文臺的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)被孤立了數(shù)十億年的星系，其核心中包含的暗物質(zhì)比預(yù)期要多。這個(gè)星系被稱為Markarian 1216(縮寫為Mrk 1216)，包含的恒星年齡在宇宙年齡的10%以內(nèi)，也就是說，幾乎和宇宙本身一樣古老。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它經(jīng)歷了與典型星系不同的演化過程，無論是在它的恒星方面，還是通過引力將星系凝聚在一起的無形暗物質(zhì)方面。mrk1216屬于橢圓型星系家族，其中心的恒星密度比其他大多數(shù)星系都要高。

天文學(xué)家們認(rèn)為它們是紅色致密星系的后代，這些星系被稱為“紅塊”，在大爆炸后大約10億年形成，但在大約100億年前停止了增長。如果這個(gè)解釋是正確的，那么mrk1216中的暗物質(zhì)和它的星系表親也應(yīng)該被緊密地包裹起來。為了第一次驗(yàn)證這個(gè)想法，兩位天文學(xué)家研究了距離Mrk 1216中心不同距離熱氣體的x射線亮度和溫度，這樣就可以“稱”出星系中央存在多少暗物質(zhì)。加州大學(xué)歐文分校的戴維·布奧特(David Buote)說：

當(dāng)我們將錢德拉數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的濃度比在其他總質(zhì)量類似星系中發(fā)現(xiàn)的要高得多。這告訴我們，mrk1216的歷史與典型星系非常不同。基本上它所有的恒星和暗物質(zhì)都是在很久以前形成，在過去的100億年里幾乎沒有增加。根據(jù)這項(xiàng)新研究，在大爆炸后大約30到40億年，圍繞著Mrk 1216中心形成了一個(gè)光環(huán)，或者說是一個(gè)模糊的暗物質(zhì)球體。這個(gè)光暈被認(rèn)為比星系中的恒星還要大，這樣一個(gè)紅金塊星系的形成是今天所看到許多橢圓星系的典型特征。

然而，與Mrk 1216不同的是，當(dāng)較小星系在宇宙時(shí)間內(nèi)與它們合并時(shí)，大多數(shù)巨大的橢圓星系繼續(xù)逐漸變大。研究報(bào)告的撰寫者之一、加州大學(xué)歐文分校的艾倫·巴斯說：在相對較近的地方看到Mrk 1216等致密橢圓星系中，恒星的年齡和密度提供了第一個(gè)關(guān)鍵證據(jù)，證明它們是遠(yuǎn)距離觀測到“紅色金塊”的后代。這里看到的暗物質(zhì)光暈證明了這一點(diǎn)，此前，天文學(xué)家估計(jì)mrk1216中的超大質(zhì)量黑洞比預(yù)期更大。

然而，這項(xiàng)最新研究得出的結(jié)論是，黑洞質(zhì)量可能不到太陽質(zhì)量的40億倍。這聽起來很多，但對于像mrk1216這樣大的星系來說，它的質(zhì)量可能并不大。研究人員還尋找了星系中心超大質(zhì)量黑洞爆發(fā)的跡象。他們在高溫氣體中發(fā)現(xiàn)了一些空洞，類似于在其他大質(zhì)量星系和英仙座星系團(tuán)中發(fā)現(xiàn)的空洞，但需要更多數(shù)據(jù)來證實(shí)它們的存在。mrk1216數(shù)據(jù)也提供了關(guān)于暗物質(zhì)的有用信息，由于暗物質(zhì)從未被直接觀測到，一些科學(xué)家質(zhì)疑它是否存在。

在這項(xiàng)研究中，Buote和Barth用標(biāo)準(zhǔn)“牛頓”引力模型和一種被稱為修正牛頓動力學(xué)(modified Newtonian dynamics，簡稱MOND)的替代理論解釋了錢德拉星系數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，這兩種引力理論都要求在mrk1216中心有相同數(shù)量的暗物質(zhì)，有效地消除了MOND解釋的必要性。在未來，科學(xué)家希望進(jìn)一步研究暗物質(zhì)的性質(zhì)，暗物質(zhì)在mrk1216中心的密集堆積，可能為預(yù)測不那么集中的暗物質(zhì)非標(biāo)準(zhǔn)理論提供了一個(gè)有趣的測試，比如暗物質(zhì)粒子通過引力以外的其他方式相互作用。其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《天體物理學(xué)》上。

博科園｜研究/來自：Chandra X-ray Center

參考期刊《天體物理學(xué)》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab1008

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