暗物质缺失星系是近几年发现的一类非常奇特的星系(van Dokkum et al. 2018),其形成机制不明，对标准宇宙学模型形成了威胁，引起了天文学家的广泛关注。最近的一些研究提出了其可能的形成机制，如星系碰撞触发暗物质缺失星系的形成。最近由浙江大学物理学院Go Ogiya研究员领导的研究团组发现星系碰撞机制同样存在麻烦，因此该类星系的形成仍然是一个谜。该工作已经在天文学专业顶级杂志：美国天体物理快报发表(Astrophysical Journal Letter,  https://doi.org/10.3847/2041-8213/aca2a7)

暗物质是宇宙中一种未知的神秘物质，在不同层次的宇宙结构形成中起着至关重要的作用。由于暗物质占宇宙总物质的 85%，重子气体会被拉入暗物质所形成的引力势阱中，然后聚集到暗物质晕的中心，最终塌缩凝聚后的气体形成恒星。这个星系形成的标准图景预期星系被它们的暗物质晕包裹，并且它们的动态质量由暗物质主导。

然而，最近的观测发现，在大型椭圆星系 NGC1052 附近存在明显缺乏暗物质的星系(Dark Matter Deficient Galaxy, 以下简称DMDG)。这些星系的动力学完全由恒星所产生的引力来描述，这表明它们不含有或含有很少的暗物质。通过观测推断出的暗物质质量比理论模型的预期低数百倍（图 1）。这一惊人的发现对我们目前对星系形成和演化的理解是一个严峻的挑战。 因此，DMDG引起了许多天文学家的关注。

图 1：Mstar-Mhalo 平面上的星系，其中 Mstar 和 Mhalo 分别是星系的恒星质量和暗物质晕的质量。星系形成和演化的理论模型预测 Mhalo 是 Mstar（黑线）的函数。典型的矮星系（灰色圆圈和空心方块）遵循这种关系。然而，与理论预期相比，黑色箭头所示的暗物质缺乏星系 DF2 的 Mhalo 太少了。图片取自van Dokkum et al. (2018)。

科学家提出了几种机制来解释DMDG的形成过程，其中之一是：大约 80 亿年前，两个气体丰富的矮星系，在 NGC1052 附近以 350km/s 的相对速度相撞（图 2），其中一个是被 NGC1052 束缚的矮星系，另一个则是外来闯入者。由于流体动力学相互作用，星系的高速碰撞强烈地压缩了碰撞星系所储藏的气体，并引发了恒星的爆发式形成。同时，暗物质会穿过气体，因为它仅通过引力与其他物质相互作用。因此，星系碰撞将气体和新生恒星与暗物质分开，形成了DMDG。

图 2：van Dokkum et al. 2022 等人提出的暗物质缺乏星系（标记为 DF2 和 DF4）的碰撞诱导形成机制。两个矮星系在 80 亿年前相撞，恒星形成在无暗物质的气体云中被点燃。随后，气体云碎裂，形成多个暗物质缺乏的星系。

我们的文章试图用在暗物质缺乏的星系中观察到的球状星团（球状星团是由大量恒星构成的致密结构）来测试这种解释。首先，我们考虑星系内球状星团的轨道演化。在星系中运行的大质量物体会感受到由其他恒星和暗物质（如果星系包含暗物质）引起的阻力，即所谓的动力摩擦。由于动力摩擦，球状星团的轨道会衰减，它们的空间分布会随着时间变得更加紧凑。这说明，它们过去的空间分布应该比现在观测到的（空间分布的投影尺度 3kpc）要更加延展。使用半解析模型，我们追溯球状星团的轨道演化，发现在80 亿年前，这些球状星团到暗物质缺乏星系中心的距离为 5-10kpc。

我们近一步研究球状星团对于宿主星系 NGC1052 的潮汐力是否敏感。DMDG当然受到 NGC1052 的影响，因为它们是在其引力势中形成的（见图 2）。NGC1052 的强大引力可以将球状星团从缺乏暗物质的星系中剥离出来（通过潮汐力剥离）。处在DMDG外围（较大的 r）的球状星团比处在中心的球状星团更容易受到潮汐力的影响，从而更容易被剥离（图 3）。

图 3：平均密度的比较。暗物质缺乏星系的平均密度是其所受潮汐力（橙色线）影响大小的指标。线上也标明了距暗物质缺乏星系中心的距离 r。NGC1052 的平均密度是其潮汐力强弱的指标。根据解析模型的建议，它是作为距中心距离 R 的函数，并乘以 2.5（实心黑色）或 1.5（黑色虚线）。当NGC1052的平均密度超过球状星团所在位置的暗物质缺乏星系的密度时，球状星团将被剥离。让我们考虑一个位于 r = 5kpc 的球状星团。当缺乏暗物质的星系距离 NGC1052 中心 R = 100kpc 时，它将被剥离，而如果缺乏暗物质的星系位于 R = 200kpc，则球状星团会留在缺乏暗物质的星系内。

星系碰撞的位置，实际上就是DMDG的诞生地，是决定潮汐剥离效率的另一个因素。由于其中一个前身星系被认为是 NGC1052 的卫星星系，我们使用基于宇宙学背景的数值模拟来考虑卫星星系的分布（图4，左）。一半的卫星星系位于 R < 150kpc。形成的DMDG在NGC1052中心感受到比在外围更强的潮汐力。通过结合潮汐剥离的解析模型（图3）和我们的半解析模型得到的球状星团位置的概率分布，我们发现当暗物质缺乏星系位于R = 150kpc 时，80-90%的球状星团会被剥离（如图4，右）。

图 4：（左）R 内包含的卫星星系的累积数量占总数的比率。（右）当暗物质缺乏星系位于 R 时，球状星团被剥离的比率。一半的卫星星系位于 R < 150kpc，而在那个位置潮汐力将球状星团的数量减少了 5-10 倍。

我们的工作表明，在DMDG的形成时期，很大一部分球状星团应该被 NGC1052 的潮汐力剥离。为了解释目前在暗物质缺乏星系中观测到的球状星团数量（大约 10 个），该星系在形成时应该拥有更多的球状星团。这可能是碰撞诱导形成机制的一个潜在问题。使用高分辨率数值模拟是进一步探索该场景的有趣途径。

该项工作由浙江大学物理学院的Go Ogiya研究员领衔，参加人员包括我院的康熙教授、美国耶鲁大学的Frank Van den Bosch教授、德国慕尼黑大学的Andreas Burkert教授。该工作得到了科技部重点研发、国家自然科学基金和浙江大学创新2.0团队等资助。