2005年2月23日
奇特的暗星系
这是一个最奇特的星系，在这个星系中，居然几乎没有恒星、行星或其他任何可见的星体。它混迹于室女座星团（Virgo）中，标号为室女座HI-21，大小与普通星系差不多，估计直径约有50000光年，距离我们大约5000万光年，更为奇妙的是，它居然也像其他星系那样旋转着，这是迄今为止，人类所发现的第一个也是唯一一个几乎完全由暗物质组成的星系，如图1中红线范围所示。
图1
在过去的天文观测中，也发现过暗星系，但在其中还含有不少恒星的残留物，但根据哈勃空间天文望远镜的深度观测却发现，在这一区域内却几乎没有星体，即使有，在直径50000光年这么巨大的尺度下，含有百十颗恒星就几乎跟没有一样，所以称它是“暗星系”。
人们自然感觉奇怪，如果这个暗星系几乎没有什么可见的东西，又是如何发现它的呢？答案也很简单——把机密透给外间的就是“引力”。2005年2月23日，英国卡迪夫大学天文学研究组和澳大利亚、法国和意大利合作伙伴一起，在约莱尔班克（Jodrell Bank）天文台（图2）利用射电望远镜研究室女座，他们本来想通过射电望远镜去观测一个名叫NG C4254的超级星系，不想在偶然间发现这个超级星系在受着一种特殊的引力作用。令人奇怪的是，他们找不到这个引力来自何方。他们对周围所发出引力作用的大小、方向和结构一一做了探测，最后顺藤摸瓜，给这个奇怪的引力源定了位，并估算出了它的大小和所在的区域，但在其中找不到一个可见的星体，所以把它叫做“暗星系”。
图2
人们又是如何知道这个暗星系是在旋转着的呢？原来，是多普勒效应透露了旋转的秘密。最初，通过光谱研究，他们发现这个暗星系中含有氢气，估计所含氢元素总质量大约是太阳系氢总量的1亿倍，还发现这些氢原子向外辐射着波长为21厘米的射电波。接着，他们利用多普勒效应发现，这些氢气在运动着，不仅运动速度非常快，速度大小和分布的跨度也非常大，边缘部位的速度远远高出其他的部位。这只有一种解释，这个暗星系在以飞快的速度旋转着，这一奇特的现象引起了人们的注意。
还有另一件更值得注意的事，也是判断它由暗物质组成的重要依据。根据比较发现，这个暗星系的旋转速度远远超出普通的旋转星系。这个现象在暗示我们，这个星系远远不只所包含氢气的那么多的质量，因为如果只有这些质量，所产生的引力将不足以在如此高速旋转之下把它维系住，它们会很快地分崩离析。因此，除了氢气，一定还有其他不可探测的物质隐藏其中。根据计算，其中不可见的暗物质总质量大约是太阳系的数十亿倍。在这种解释下，这个星系将是首个人类所发现的暗物质星系，它的存在与人们所预言的暗物质理论相一致。
当然，对这种解释也有人持怀疑态度，认为这个区域并不是一个独立的星系，它只不过是附近星系NG C4254的一个尾巴而已。但根据2007年6月18日美国康奈尔大学科学家所率领的国际天文学研究小组宣布的结果，最终证明这是一个独立的天体结构，它就是一个暗星系，几乎完全由暗物质组成。
暗星系的发现证实了人们长久以来对暗物质的预言。在宇宙中，除了质子、中子、电子等物质粒子以外，还存在着从根本上就不会发光的物质粒子，或者说，它们自身不仅不能发光，也不会发生诸如反射、折射或散射，对各种波长的光来说，它们是百分之百的透明。暗物质与暗能量在整体宇宙中又占有95%的大多数，而在宇宙的大尺度范围内，我们平时所见到的各种物质却是绝对少数的例外。
宇宙学是一门以观测引导的学科，随着爱因斯坦广义相对论理论的建立与射电天文学的发展，特别是宇宙膨胀和大爆炸宇宙学的建立及航天事业的发展，现代宇宙学已经进入到了一个精确观测的阶段。现代宇宙学研究的中心议题之一就是“暗物质与暗能量”。该如何理解暗物质与暗能量？它们具有什么物理性质？在宇宙的演化过程中又扮演着什么角色？应该对这种物质建立什么样的模型？这些问题都受到了人们普遍的关注。又由于暗物质和暗能量决定了宇宙大尺度结构，也决定着宇宙整体的演化以及星系团及星系的形成、演化和命运，这些因素都使得暗物质和暗能量的研究成为当代宇宙学的重要研究课题。现在，这方面的研究正处于这一领域令人激动的黄金时期，暗星系VirgoHI-21的发现无疑具有特殊的意义。
关键词：暗星系，室女座HI-21，dark galaxy，VirgoHI-21
图1：https://www.newscientist.com/article/dn12100-dark-galaxy-continues-to-puzzle-astronomers/