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偶然凝视旧哈勃望远镜图像导致发现，可能揭示暗物质秘密
在一次早晨通勤列车上，这位前科学家在一张旧哈勃图像中发现了一个惊人的惊喜
来源:Space.com: NASA，太空探索和天文新闻2023年6月下旬的一个早晨，在纽约市通勤的火车上，David Hendel正在手机上浏览一篇最新的天文学论文，一张半页大小的图片引起了他的注意。
这张一年前由哈勃太空望远镜拍摄的图像显示的是UGC 9050-Dw1，一个距离地球约1.15亿光年的矮星系。它看起来只是一团暗淡、弥散的蓝白色光斑，天文学家称之为超漫射星系——一种恒星稀疏到其大部分质量被认为是暗物质的星系，暗物质是一种看不见的物质，构成宇宙中超过80%的物质，但尚未被直接探测到。
让Hendel停顿下来的不是星系本身，而是一条从星系延伸出来的纤细、脆弱的恒星流，暗淡到几乎消失在拥挤画面中的其他光斑之中。Hendel曾是一位天文学家，研究过数千个类似结构，他立即认出了这条弧线特征的微妙关联，包括恒星的共同颜色以及它们弯曲的轨迹指向其路径上一个微小的、匹配的明亮节点。这些线索合在一起，与一个从称为球状星团的紧密恒星球中撕裂出来的恒星流相吻合，被UGC 9050-Dw1的引力拉开。
如果Hendel的判断正确，这将是银河系外发现的第一条此类恒星流。
“这似乎好得令人难以置信，”Hendel告诉Space.com。“此时我感到发现的兴奋程度如此之高，以至于我记得抬头环顾火车，想找个人诉说！”
这一发现将为研究人员提供一个全新的实验室来探测暗物质，而且受到的竞争性天体物理力的污染远少于我们银河系内类似搜索所受的污染。Hendel现在从事金融工作，但仍关注着他以前领域的研究，他快速查阅了文献，看是否有人已经记录了该特征。没有人发现过。
当然，他要告诉的人不在火车上。在到站之前，Hendel截了图，在弧线周围粗略画了个圈，发给了Sarah Pearson——丹麦技术大学DTU Space的天体物理学副教授，也是他在哥伦比亚大学研究生时期以来的朋友。
那条消息开启了最终确认这一发现的合作努力，由Pearson和丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所博士生Julie Kiel Holm领导。
该团队的论文将这条恒星流命名为Oyashio（发音为“oh-yah-shee-oh”），日语中意为寒冷的太平洋洋流，遵循以土著语言中的水体命名这些暗淡恒星迹线的传统，以表彰世界各地拥有悠久天文学传统的文化，包括澳大利亚、智利和印度。
在银河系内，天文学家迄今已识别出大约100条由球状星团产生的恒星流候选体，但在另一个星系周围发现一条极其罕见。当整个矮星系被撕裂时形成的恒星流相对容易发现，因为它们出现在较大星系的稀疏外围。但球状星团恒星流形成于其宿主星系深处，在那里被更亮、更密集的星光淹没。Oyashio之所以能被探测到，部分原因是UGC 9050-Dw1本就稀疏的恒星种群意味着较暗的背景为恒星流提供了足够的对比度使其可见，Holm告诉Space.com。
Oyashio的发现是“一个非常令人兴奋的进步”，波士顿大学研究恒星流和暗物质晕的助理教授Emily Cunningham说，她未参与这项新研究。“利用本文描述的技术，我们将通过即将到来的观测设施（如Vera C. Rubin天文台和南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜）在其他星系周围探测到更多恒星流。”
研究人员说，足够大的、处于不同星系环境中的此类恒星流目录将允许他们梳理出暗物质在最小尺度上被预测会引起的那种微妙扰动。
“这是对暗物质本质施加新的天体物理约束的最有前途的途径之一，”Hendel说。
没有“尤里卡！”时刻
UGC 9050-Dw1于2017年在夏威夷莫纳克亚山顶的加拿大-法国-夏威夷望远镜拍摄的图像中首次被识别，作为漫射矮星系巡天的一部分。2023年的一项后续研究，使用了Hendel后来发现Oyashio的同一组哈勃图像，编录了该星系附近“异常高”数量的球状星团。其作者得出结论，UGC 9050-Dw1可能是在大约100亿年前由两个大小相当的星系合并形成的，这次合并足够温和，使两者的气体都存活下来并引发了恒星爆发，这也解释了星团的均匀颜色。那项2023年的研究并未注意到Oyashio。
在新研究中，Holm和她的同事在哈勃和加拿大-法国-哈勃望远镜的档案数据中独立恢复了Oyashio，排除了它是望远镜成像或后续数据处理产物的可能性。
然后团队进行了数千次模拟，测试哪些球状星团属性和暗物质分布的组合能重现观测到的恒星流亮度和形状。最佳拟合模型对UGC 9050-Dw1的总质量及其质量分布产生了新的估计，表明该星系拥有的暗物质远比其稀疏的恒星种群所暗示的要多，与对此类漫射星系的预期一致。
在研究中，团队还权衡了一系列替代解释，并阐明了为什么没有一种完全符合证据。例如，这条弧线可能是无关恒星的巧合排列、背景星系引力透镜的产物，或恰好模拟恒星流形状的尘埃区域。团队表示，这些场景中的任何一个都无法单独解释关键证据，主要是恒星颜色的一致性、它们沿单一弯曲轨迹的排列以及该轨迹与似乎是球状星团前身的联系。
“这是一个有趣的过程，因为没有特定的时刻我们意识到‘好了，现在我们知道了它是什么，’”Holm告诉Space.com。“我们从假设开始，单凭观察，它看起来可能是某种东西。我们能尝试用多少种不同的方式来证明它不可能是呢？”
尽管如此，为了严谨起见，团队承认他们不能完全排除所有替代解释。“仍然有可能一些恒星只是随机地落在这个图案中，”Holm说，“但再说一次……所有这些事情要像它们那样整齐地排列，需要很多巧合。”
暗物质线索
这种谨慎的回报在于Oyashio能揭示宇宙中看不见的骨架。当一个球状星团在数十亿年间被撕裂时，它剥离出的恒星沿着其原有轨道散开，而不是随机散射，实际上保留了塑造它们的引力作用的原始记录。如果一个太小而无法拥有自己恒星的暗物质团块——冷暗物质理论中的“子晕”——穿过那条恒星流，其引力可以将恒星流中的恒星拉离轨道并刻出一个间隙。
“由球状星团形成的恒星流对这些扰动特别敏感，”Cunningham说。
挑战在于隔离原因，而一条恒星流不足以对相关的天体物理过程得出确切结论。在银河系内部，恒星流中的任何扰动同样可能来自星系中心的恒星棒或落入银河系的邻近矮星系，如麦哲伦云。UGC 9050-Dw1没有这些特征，因此在Oyashio中发现的任何间隙都将作为暗物质作用的更有信心的证据，Holm说。
“如果在单个恒星流中观察到间隙，很难确切地说哪个天体物理过程是原因，”Cunningham说。“然而，如果我们能在不同的星系环境中建立足够大的恒星流样本，我们就可以开始梳理这些效应。”
“要做到这一点，我们需要将目光投向银河系之外，”她补充道。
即将上线的新仪器可以帮助实现这一点。天文学家对南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜的发射尤其兴奋，该望远镜定于8月30日从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射，其视野至少比哈勃大100倍。据NASA称，在其五年主要任务中（可能延长五年），罗曼预计将测量来自10亿个星系的光。
“你基本上可以用同样的曝光时间同时在多个星系中进行这类研究，”Holm说。她希望罗曼以及欧洲航天局于2023年发射的欧几里得太空望远镜能发现更多类似Oyashio的星系，“这样我们就可以开始构建一个更全面的图景，了解这些事物如何运作以及它们能告诉我们什么。”
其中一些发现甚至可能以Oyashio的方式浮出水面，作为纯粹科学好奇心应用于已存在于档案中的数据的结果。Hendel说他阅读2023年的论文主要是因为他对该团队关于UGC 9050-Dw1可能通过矮星系合并形成的结论感兴趣。“我打开它时除了满足好奇心外没有别的目的，”他说。
他能够在为完全不同的研究项目收集的图像中发现一个隐藏的罕见特征，证明了科学界长期以来的数据公开实践的价值，Holm说。
“任何人都可以带着另一个想法来，用同样的数据发现一些你也不知道隐藏其中的有趣东西，”Holm说。“我认为这也是这件事的一个非常酷的部分。”
该团队的论文于8月12日发表在《自然》杂志上。