哈勃100倍视野下试图寻找的矛盾星系（142个无恒星星系，无暗物质星系DF9）

罗曼望远镜成功发射了。稍后在搜索相关新闻时，看到“暗物质”这个关键词，便随手点了进去。然而，下面挂着的两条新闻却指向了截然相反的方向。一条是“发现142个无恒星星系候选者”，另一条是“NASA发射视野比哈勃宽100倍的太空望远镜”。因为好奇没有恒星还能否被称为星系，我打开了原文，结果在那里遇到了第三种星系的故事。这次恰恰相反，是有恒星但几乎没有暗物质的星系。

一侧是无恒星星系，另一侧是无暗物质星系。而且在同一天——8月30日，发射了一台宣称要正面攻克这一矛盾的望远镜。三件事集中在同一时期，巧合得有些离奇，于是我深入探究了一番。

发射本身进展顺利

8月30日上午（美国东部时间7点26分），南希·格雷斯·罗曼太空望远镜搭载SpaceX猎鹰重型火箭，从肯尼迪航天中心39A发射台升空。目的地是太阳-地球拉格朗日2点（L2），距离地球约150万公里。据NASA官方发布称，发射后7分钟捕获了首个遥测信号，31分钟后与火箭本体分离。1小时23分钟后，确认了太阳能电池板和下部遮阳罩的展开。

前往L2需要3个月的时间。詹姆斯·韦伯太空望远镜也位于L2附近，但两台望远镜在不同的轨道上运行。根据行星学会(The Planetary Society)的说明，抵达后将经过约90天的调试期，预计从2027年初开始发布首批图像。有说法称初期任务期限为5年，如果状态良好，还可以延长两倍以上。NASA局长贾里德·艾萨克曼评价此次发射为“比原定计划提前、在预算内完成的成功案例”，实际上这台望远镜确实比原计划提前完成并提前了发射日程。

镜片与哈勃相同，为何视野宽100倍？

回到最初让我困惑的那句话。罗曼望远镜的主镜直径为2.4米，与哈勃完全相同。但罗曼一次拍摄的照片所涵盖的天空面积相当于100张哈勃照片拼接在一起。我心想镜片大小相同，视场角应该也差不多，查了一下才发现，答案不在镜片，而在其背后的相机，即广角仪器（WFI）。

用相机来比喻就很容易理解了。即使是同样的镜头，背后的胶片或传感器越大，一次拍摄的视野就越宽。NASA解释称，罗曼的WFI是一台3亿像素（300 Megapixel）的红外相机，由18个饼干大小的4K检测器组成。由于镜片收集的光线能被这块庞大的传感器阵列同时接收，因此即使使用同样的镜片，也能一次记录下更广阔的天空。作为代价，由于单个像素负责的天空面积变大，在捕捉微小细节的精度方面，无法替代韦伯或哈勃的窄视野拍摄。此外，罗曼在机械上非常稳定，拍摄间隙几乎不需要等待时间，因此有说法称其扫描天空的速度比哈勃快1000倍。

宽广快速扫描的罗曼与深入细致观察的韦伯。这并非竞争关系，而是分担角色的互补关系，这与NASA旗下SVS资料中的解释相符。韦伯的角色是深入观察早期宇宙，而罗曼的角色则是以广阔的视野绘制地图，记录该宇宙至今是如何演化的。

罗曼这个名字的重量

这台望远镜的名字来源于真实人物南希·格雷斯·罗曼。她从1959年到1979年在NASA工作，是NASA首位首席天文学家，也是首位女性高管。由于她从初期就领导了哈勃太空望远镜项目，因此被称为“哈勃之母”。原本这台望远镜被称为WFIRST（广角红外巡天望远镜），在发射前以她的名字重新命名。

个人认为，这是此次发射消息中最令我动容的部分。通常太空望远镜会以观测成就著名的物理学家或天文学家的名字命名，但罗曼作为组织和领导项目的管理者，其功绩更为突出。在这个广阔扫描、为下一代观测绘制地图的望远镜上冠以她的名字，巧合得非常贴切。

宇宙的95%无法通过肉眼观测

罗曼的核心任务之一是揭开暗能量和暗物质的真相，有必要先弄清楚这为什么是一个如此重要的问题。

简化一般的星系形成理论如下：暗物质通过引力聚集，形成一种“框架”，气体被引力吸引并聚集，这些气体再次凝聚形成恒星。暗物质→气体→恒星，这是标准图景。暗物质不与光相互作用，因此无法直接看到。即便如此，我们确信其存在的原因是星系中恒星的运动速度。仅凭可见的恒星和气体质量计算，无法解释星系中反复观测到的引力水平，因此为了方便，将这种“看不见的剩余质量”称为暗物质。

根据标准宇宙学模型，宇宙由68.3%的暗能量、26.8%的暗物质和4.9%的普通物质组成。这意味着恒星、行星、人类、地球——我们肉眼所见的一切，占宇宙总质量-能量的不到5%。

没有恒星却只有暗物质的星系

然而，最近接连报道了一些不符合该框架的星系。首先是“无恒星星系”方面。根据首尔大学的研究发布资料，黄浩成教授研究团队与美国国家射电天文台（NRAO）的尹日相、布莱恩·肯特博士一起，新发现了142个推测仅由暗物质和气体组成、没有恒星的“暗星系（dark galaxy）”候选者。据悉，这是利用阿雷西博射电望远镜巡天（ALFALFA）和DESI遗留成像巡天资料追踪气体运动的方式。考虑到此前全球已知的候选者仅有10个左右，这意味着候选者数量一下子增加了10倍以上。这一成果发表在国际学术期刊《天体物理学杂志增刊》上。

这一发现之所以重要，是因为它触及了名为“丢失的卫星星系问题（missing satellite problem）”的长期难题。标准宇宙学模型预测大星系周围应该有更多数量的小型卫星星系，但实际观测到的数量却远少于此。至今因没有恒星而未被察觉的暗星系，正是填补这一空白的候选者。

通俗地说就是：暗物质形成了引力框架，气体也聚集在其中，但在气体还没来得及聚集成恒星之前就停止了。可以说，标准情景的前两个阶段（暗物质→气体）已经进行，但在最后阶段（气体→恒星）停止了。首尔大学研究团队也表示，“在数量上尚未达到理论预测的暗星系总数”，还需要进行后续探索。

反之，几乎没有暗物质的星系

还有与此新闻方向截然相反的发现。根据耶鲁大学新闻室报道，耶鲁大学研究团队发表的矮星系“NGC 1052-DF9”显示，虽然有恒星和气体，但几乎没有暗物质。这是继此前发现的DF2、DF4之后，确认的第三个此类案例。这三个星系都位于距离地球约6700万光年的NGC 1052星系群附近，并与其他九个星系一起，留下了仿佛排成一条直线的痕迹。

领导这项研究的耶鲁大学博士生迈克尔·凯姆建议重新审视这个曾被误认为超大质量黑洞的天体，并利用夏威夷凯克天文台的宇宙网成像仪（CWI）进行了精密观测。通过测量恒星的运动速度反推星系总质量，结果显示DF9的质量约为太阳的1亿倍——仅凭可见的恒星和气体即可解释。如果该星系像普通星系一样拥有暗物质，其质量应该超过太阳的100亿倍。相差了100倍以上。

凯姆研究员表示：“宇宙中几乎所有星系的质量大部分都由暗物质构成，DF2、DF4、DF9是非常罕见的例外。”研究团队提出的情景是：过去两个星系在高速碰撞时，普通物质（气体）和暗物质相互分离，脱离出来的气体单独聚集，从而形成了这些特殊的星系。三个星系并排位于同一直线轨迹上的事实本身，就为这一碰撞假说提供了支持。

将两项发现并置观察

将这两项发现放在一起看，会出现一幅有趣的画面。一侧是有暗物质却没能形成恒星的星系，另一侧是有恒星却流失了暗物质的星系。这些案例表明，在星系形成这一单一过程中，暗物质和恒星这两个要素即使不完全结合，也可以各自独立存在。

这为什么重要？如果星系形成理论建立在“暗物质和恒星总是捆绑在一起”的前提之上，那么这些例外案例就会促使人们重新审视该前提本身。这并不意味着标准模型完全错误。只是通过实际观测确认了暗物质和普通物质在特定条件（再电离时期的气体停滞、星系间高速碰撞等）下是可以分离的。不过，这些例外案例究竟有多普遍，是仅仅偶然撞见的几个，还是比想象中更普遍的现象，目前尚不清楚。

到目前为止，这些例外案例大多是在狭窄视野下偶然发现的。首尔大学团队的142个暗星系是在翻阅射电望远镜巡天资料时发现的，DF2、DF4、DF9也是在精密追踪某一个特定星系群时发现的。由于样本本身很大程度上依赖于偶然，因此“这种星系是真的罕见，还是因为我们找不到才显得罕见”这一问题，目前还没有人能给出肯定的答案。而这正是视野宽100倍的罗曼望远镜的用武之地。

罗曼进入这一矛盾的切入点

罗曼的主要任务之一正是揭开暗能量的真相。计划观测数十亿个星系，绘制宇宙大尺度结构随时间演化的地图，并通过此来限制暗能量的特性。空间望远镜科学研究所罗曼任务办公室主任克里斯汀·麦奎因在发射前表示，“在我们理解的物理学中可能存在根本性的缺失，罗曼望远镜有潜力揭开这一点。”

宽广的视野在寻找上述例外星系方面也具有优势。如果说迄今为止的发现大多是狭窄视野下的偶然，那么像罗曼这样能以宽广视野一次性对海量星系进行统计扫描，情况就会有所不同。无论是无恒星的暗星系还是无暗物质的星系，究竟是极为罕见的巧合，还是星系形成过程中本来就固有的常见分支，都有可能通过更明确的数据显现出来。这意味着比起单个发现的戏剧性叙事，更有可能产生接近于随着数千数万个数据堆积而形成的星系形成地图的成果，这种类型的成果作为新闻标题可能反而显得有些乏味。

系外行星方面的数字也引人注目。过去几十年人类确认的系外行星约有6000个左右，而据预测，仅罗曼一台望远镜通过微引力透镜方式，就能发现比这多得多的10万个左右。该数值仅为预估值，实际验证要到2027年初以后才有可能。罗曼还搭载了日冕仪仪器，这是一种遮挡星光直接拍摄旁边行星的技术，据说也肩负着未来作为直接拍摄类地行星的“宜居世界观测台（Habitable Worlds Observatory）”构想的技术演示角色。

依然开放的问题

坦白说，在整理这篇文章时，我也没有完全理解的把握。暗物质本身从未被直接观测到，是基于引力效应推论出的概念，因此“没有暗物质的星系”这一表述本身，最终也接近于“观测不到引力异常现象的星系”的另一种说法。或许是因为我们还不完全了解所谓的暗物质到底是什么，这些看起来像例外的案例，实际上可能是填补理论空白的线索。

目前唯一可以确定的是发射已经成功完成。只有顺利通过未来的90天调试期，并从2027年初开始实际巡天，才能知道这台望远镜是否真的有助于揭开暗能量和暗物质的真相。像这样的大型任务，往往需要经过数年的巡天数据积累，才能真正出成果，而不是仅仅依靠第一张照片。142个无恒星星系和3个无暗物质星系是否是足以由统计数据支撑的常见现象，还是仅仅作为偶然撞见的特殊案例留存下来——要看着这些碎片如何被拼凑起来，恐怕还需要等待相当长的时间。