天文学家发现一个由暗物质构成的幽灵星系

“这是一个关于失败星系的故事，”该项目的首席研究员、意大利米兰比可卡大学的亚历杭德罗·贝尼特斯-扬巴伊说。“在科学中，我们通常从失败中比从成功中学到更多。在这种情况下，没有看到恒星恰恰证明了理论的正确性。它告诉我们，我们在本地宇宙中发现了一个尚未形成的星系的原始构件。”

对暗宇宙的罕见一瞥

“这朵云是窥视暗宇宙的一个窗口，”欧洲航天局AURA/STScI的团队成员安德鲁·福克斯解释道。“我们从理论上知道，宇宙中大部分质量预计是暗物质，但这种暗物质难以探测，因为它不发光。第九云让我们罕见地看到了一个由暗物质主导的云。”

第九云属于一类被称为“再电离受限HI云”或“RELHIC”的天体。“HI”指的是中性氢，而“RELHIC”描述的是一种在早期宇宙中形成、但从未进一步发展形成恒星的氢云。科学家们多年来一直预测这类天体的存在，但直接的证实一直难以获得。直到用哈勃望远镜观测第九云之后，研究人员才得以确认它确实不含任何恒星。

排除隐藏的矮星系

“在我们使用哈勃望远镜之前，你可能会争辩说这是一个我们无法用地面望远镜看到的微弱矮星系。它们的灵敏度不够深，无法发现恒星，”位于美国巴尔的摩的太空望远镜科学研究所的首席作者加甘迪普·阿南德解释说。“但利用哈勃的先进巡天相机，我们能够确定那里什么都没有。”

这一发现本身让研究人员措手不及。“在我们的银河系邻居中，可能散布着一些被遗弃的‘房屋’，”同样在研究团队中的STScI研究员雷切尔·比顿说。

RELHIC被认为是暗物质结构，它们从未聚集足够的气体来触发恒星形成。正因为如此，它们保留了早期宇宙的状态。第九云指向了可能存在的许多其他小型、暗物质主导的天体，它们常被描述为失败的星系。研究它们为我们提供了对宇宙中难以观测部分的新见解，因为大多数望远镜都聚焦于明亮的恒星和星系。

测量一个无形的巨物

对银河系附近的氢云的研究已进行了数十年，但大多数比第九云更大、形状也更不规则。相比之下，第九云更小、密度更高、且近乎球形，这使其外观与其他已知气体云截然不同。

第九云的中心包含跨度约4900光年的中性氢。仅氢气本身的质量就大约是太阳的100万倍。如果气压确实与周围暗物质的引力相平衡，那么暗物质必定构成了该天体的大部分质量。基于这种平衡，估计第九云包含大约50亿个太阳质量。

无恒星天体为何重要

第九云凸显了宇宙中存在多少超越恒星的部分。仅观测星光并不能揭示全貌。通过同时研究气体和暗物质，科学家可以更好地理解那些否则将保持隐藏状态的系统。

发现像第九云这样的失败星系很困难，因为附近明亮的天体常常会淹没它们微弱的信号。这些系统也对环境效应很敏感，例如当它们穿过星系际空间时，冲压剥离效应会带走气体。这些挑战有助于解释为何此类天体似乎很罕见。

通过射电望远镜的发现

第九云是三年前在中国贵州使用500米口径球面射电望远镜进行射电巡天时首次发现的。这一发现后来使用美国的绿岸望远镜和甚大阵列得到了确认。“第九云”这个名字在中国没有文化含义，它被如此命名仅仅是因为它是在旋涡星系梅西耶94外缘区域发现的第九个气体云。

这朵云距离M94很近，并且似乎在物理上与星系相连。高分辨率的射电观测显示气体有轻微扭曲，这可能是第九云与其更大邻居相互作用的证据。

一个可能仍会形成的星系

第九云最终是否会变成一个星系，取决于它是否能获得额外的质量。如果它曾经大得多，引力本应早已导致其坍缩并形成恒星。如果它小得多，其气体可能已经消散并被电离，所剩无几。相反，它存在于一个狭窄的范围内，使其得以作为RELHIC持续存在。

这一发现增进了我们对星系如何形成、早期宇宙如何演化以及暗物质如何行为的理解。由于第九云不含恒星，它使得科学家能够在不受星光干扰的情况下研究暗物质云的性质。随着未来巡天的改进，研究人员期望发现更多这类稀有遗迹，从而更深入地了解宇宙的隐藏结构以及暗物质的物理学。