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主譯：甘林

校對：酥油餅

審核：牧夫天文校對組

美編：張一帆

后臺：李子琦

https://alma-telescope.jp/news/press/dm-202502.html (有刪減)

科維理宇宙物理學與數學研究所(Kavli IPMU)的約翰·西爾弗曼教授等人組成的國際研究團隊通過分析 ALMA 望遠鏡的觀測數據，發現約 130 億光年外包含超大質量黑洞的兩個星系的光暈中，暗物質占據主導地位。這一研究成果為早期宇宙暗物質與超大質量黑洞之間的關系，以及星系如何演化至今提供了新的見解。

1970 年代，天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin）通過觀測近鄰星系，發現星系的外緣部分以比預期更快的速度旋轉。按照牛頓力學的假設，如果星系僅由恒星和氣體組成，那么其外緣的恒星和氣體的運動速度應該比星系中心附近的速度更慢。然而，魯賓的觀測結果卻與這一預測相反，這一現象后來被稱為“平坦的旋轉曲線”。

這一發現表明，星系周圍存在大量不可見的質量（暗物質暈），使得遠離星系中心的恒星和氣體仍能以高速運動。這發現首次揭示了暗物質的引力在星系中起著關鍵作用。然而，盡管暗物質在宇宙演化中具有重要性，關于早期宇宙中暗物質的存在及其分布，迄今為止仍缺乏觀測上的限制，依然是一個未知的問題。

此次，研究團隊調查了約 130 億光年外包含超大質量黑洞的星系中的暗物質的量。西爾弗曼教授談到本次研究時表示：“維拉·魯賓通過鄰近星系的旋轉曲線首次提供了暗物質暈存在的證據。而我們這次在早期宇宙中采用了相同的方法?！?/p>

研究團隊利用 ALMA 望遠鏡觀測到的電離碳（C?）的輻射譜線數據，研究了紅移 6 處的兩個擁有超大質量黑洞的類星體母星系中的氣體運動。星系氣體的速度變化可以通過藍移氣體（朝向觀測者運動）和紅移氣體（遠離觀測者運動）來捕捉（圖 1）。

■圖1 左圖：彩色圖像與黑色等高線顯示了 P009-10 在暈尺度上的電離碳（C?）氣體分布。類星體（大黑色十字）所在的星系核氣體分布由紫色等高線表示。

右圖：電離碳（C?）輻射的速度場，范圍從 -200 km/s（藍色，朝向觀測者運動）到 +200 km/s（紅色，遠離觀測者運動）。

結果顯示，在巨大的暗物質暈內，氣體呈現出一致的旋轉運動。（Credit: Fei et al.）

通過分析每個星系的旋轉曲線，研究團隊發現暗物質約占整個星系系統總質量的 60%。有趣的是，近年來另一研究團隊的研究報告稱，在比本研究所探測的星系更近的宇宙中，星系的旋轉曲線在外緣部分出現下降趨勢，這意味著這些星系系統中的暗物質比例較低。

圖 2:遠方星系的旋轉曲線。本研究團隊的數據（紅線和藍線）與紅移 z~0 附近的鄰近巨大盤狀星系（灰色虛線）相似，其旋轉曲線保持相對平坦（即在外緣仍維持較高速度）。這表明，要解釋這些恒星和氣體在星系外緣仍保持較高速度的現象，暗物質必須占據主導地位。相比之下，紅移 2-3 的其他星系（灰色數據點）顯示其旋轉曲線在星系外緣出現下降趨勢，意味著其暗物質比例較低。（Credit: Fei et al.）

然而，本研究團隊對數據的分析表明，擁有超大質量黑洞的遠方星系的旋轉曲線與地球附近的大型盤狀星系相似，呈現出“平坦的旋轉曲線”。也就是說，即使在星系的外緣，恒星和氣體仍然以較高的速度運動，這表明星系暈中需要大量的暗物質來解釋這一現象（圖 2）。本研究成果為暗物質與超大質量黑洞之間復雜關系提供了新的視角，并為理解從早期宇宙到現今的星系演化提供了新的見解。

本研究成果已由 Fei 等人以 “Assessing the dark matter content of two quasar host galaxies at z～6 through gas kinematics.”為題，發表在美國天體物理學專業期刊《Astrophysical Journal》上。

https://www.ipmu.jp/ja/20250207-darkmatter初期宇宙の銀河でもダークマターが優勢か（（東京大學國際高等研究所科維理數物聯動宇宙研究機構的文章）

https://kiaa.pku.edu.cn/info/1031/9940.htm Researchers find dark matter dominating in early universe galaxies （北京大學科維理天文與天體物理研究所的文章）

責任編輯：甘林

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