橫跨3000萬光年！銀河系外圍巨型暗物質結構被天文學家破解

長久以來，對本星系群的研究，天文學家一直有兩個無法調和的矛盾。

一個說法是：銀河系和仙女座星系要維持如今互相靠近的運動，整個本星系群的總質量至少得有2萬億倍太陽質量，絕大部分都是不可見的暗物質。

另一個說法則是對周邊星系的運動觀測：我們附近的宇宙膨脹異常“安靜”，如果本星系群真有這么重，它的引力早該把周邊星系的退行速度拽慢一大截，這和實際觀測完全對不上。

這兩個無法調和的矛盾，甚至讓不少人懷疑，標準宇宙學模型是不是出了問題？

兩個矛盾的根源要從1959年說起。

當時天文學家第一次把銀河系和仙女座當成一對受引力約束的質點，從大爆炸初始狀態出發，通過它們今天的距離、靠近速度，反推出本星系群的總質量。

這也是人類最早通過動力學證據發現本星系群里存在大量看不見的暗物質。

但在此后幾十年的研究里，這個質量估算始終和周邊的星系退行不相符：而越認為暗物質是球對稱分布，矛盾就越突出。

如果 硬要匹配周邊星系的退行速度的話，天文學家就只能給本星系群加極少的額外質量，不像之前那么多，但這既不符合星系形成理論，也和兩個大星系的內部動力學結果對不上。

這怎么辦呢？

發表在《自然·天文學》上的這項新研究，終于給這個持續數十年的難題找到了完美解法。

來自荷蘭、德國、法國、瑞典的研究團隊，徹底拋棄了沿用多年的球對稱假設，用一套更嚴謹的約束模擬方法，重演了本星系群的形成歷史。

他們先根據當下的觀測數據——包括銀河系和仙女座的精確質量、相對位置與運動，還有周邊31個孤立星系的退行速度，反推出宇宙大爆炸初期的初始密度場，再用高分辨率數值模擬，生成了169個完全符合觀測約束的本星系群“虛擬孿生宇宙”，最終鎖定了唯一能同時解釋所有觀測的答案。

我們的本星系群，根本不是被一個圓滾滾的球形暗物質暈包裹著，而是在一張橫跨至少3000萬光年的巨大暗物質“薄餅”里。

這張薄片的扁平程度遠超預期：在距離本星系群中心650萬到1300萬光年的范圍內，暗物質分布的短軸與長軸比 平均僅為0.24，最大也不超過0.45，完全是扁平的片狀結構，而非球狀或纖維狀。

薄片中平面的物質密度是宇宙平均水平的2倍，而薄片上下，就是幾乎空無一物的宇宙空洞，物質密度僅為宇宙平均值的四分之一左右。

最關鍵的是，這個扁平的幾何結構剛好能解開之前的質量矛盾。

在球對稱的引力場里，一個天體感受到的引力只由它軌道以內的總質量決定。

但在扁平的片狀結構里，規則完全變了：分布在薄片外圍、更遠位置的質量，會給內側的天體施加一個向外的引力拉力，剛好抵消了一部分本星系群向內的引力拉扯。

這就解釋了為什么哪怕周邊1300萬光年范圍內的總質量，是銀河系加仙女座總質量的4倍多，周邊星系的退行速度依然能保持觀測到的安靜狀態，不會被過度拽慢。

更有意思的是，這個通過動力學推斷出的暗物質薄片和天文學家早就觀測到的亮星系分布完美契合，它和銀河系所在的“本星系片”、周邊的“巨人家族”星系帶幾乎完全重合，上下的空洞也對應著已知的本地空洞。

這也直接表明了，在我們鄰近的宇宙里，發光的普通物質確實精準地追蹤著暗物質的分布。

這項研究還給出了一個清晰可檢驗的預測：我們附近的宇宙速度場是嚴重各向異性的。

在薄片平面內，星系的內落速度非常小，在距離本星系群中心800萬光年之外，甚至會出現遠離的運動；但在薄片上下的空洞里，物質會以超過100公里每秒的速度朝著薄片高速下落。

之前我們沒能發現這個特征，只是因為離我們近的高緯度星系太少，未來只要找到更多鄰近的高銀緯矮星系，測量它們的運動，就能直接驗證這個暗物質薄餅模型。

說到底，這個困擾學界幾十年的矛盾，從來不是標準宇宙學模型的問題，而是我們一直想當然地給暗物質套上了球形的固有思維。