宇宙到底有多大(四)银河系的家园——本星系群

[ 录入者:champagnecat | 时间:2016-08-23 21:22:06 | 作者:京晶 译 | 来源:Astronomy | 浏览:3940次 ]
作者:Katherine Kornei  原文来自:Astronomy   Posted:2015年12月刊
编译:京晶   审校:数星星的猫 (编译版权所有,未经许可请勿转载)
 
 
大、小麦哲伦云是离银河系最近的邻居,也是南半球天空的主宰。而在本星系群里,还住着许多其它卫星星系。(图片来源:ESO/BABAK TAFRESHI)
 
天文学家Andrew Fox把银河系比作山顶上的村庄。他说:“在夜晚,你能看到邻近两个村子里灯光闪耀。它们分别是大、小麦哲伦云和更远处的仙女星系。很久以来,它们就是除银河系之外,我们仅知的几个星系。然后,忽然有一天,有人把两块透镜放到一起,制造出一台望远镜,用它环顾四周,发现周围的山上还散落着许多小村庄,由此意识到需要重新描绘周围的图景。那就是本星系群——我们的家园。”
 
宇宙中除了银河系,还存在其它星系。这样的想法在绝大部分人类历史中简直是天方夜谭。毕竟,银河系是我们的宿主星系。它的几十亿颗恒星成员妆点着夜空,在数千年里令观星者沉醉其中,不能自拔。即使是现在,这个空间望远镜和灵敏照相机大显其能的时代,无论是业余爱好者,还是天文学家,很容易就将终身的时间和精力都用来研究银河系及其行星、恒星和星云去了。
 
不过,如果我们透过银河系那稀薄的物质晕,向远处稍稍一瞥,我们就能看见邻近宇宙和演化中的星系展现出的精彩而丰富的景象。
 
在银河系周围,大约有85个星系在引力的束缚下聚集在一起,那就是本星系群。它的展幅大约是一千万光年,其成员不仅有银河系和几个肉眼可见的明亮星系,还包括了许多非常小的星系。通过研究本星系群,天文学家能够从整体的角度观察星系,不再局限于从星系内部去理解星系的物理性质了。
 
埃德温·哈勃在1936年第一个列出本星系群的成员名单。当时,已知成员有银河系、大、小麦哲伦云、仙女座星系(M31)、M32、风车星系(M33)、NGC147、NGC185、 NGC205、NGC6822、IC1613,可能还有IC10。自那以后,不断有新的小星系加入进来,本星系群的成员数目也随之膨胀至85个。图中的距离单位是光年。(图片来源:ASTRONOMY: ROEN KELLY)
 
 
追随气流
 
地球上的天文学家可算是占尽地利,可以近距离地观察本星系群中的星系形成。比较弱小的星系常常与质量更大的星系发生碰撞。小星系里本就贫乏的气体和尘埃储备被大星系吸收。矮不规则星系,如其名所示,质量偏小且缺乏规则的形状。它们看上去毫不起眼,就像是一团恒星混杂体——似乎眨眨眼,你就找不到它们了——而且没有旋臂。本星系群里的矮不规则星系只有几千个恒星成员。与坐拥数千亿颗恒星的银河系相比,它们是彻彻底底的小不点。即使如此,天文学家仍然热衷于更好地理解宇宙中这些不重要的恒星系统。
 
耶鲁大学的天文学家Marla Geha专门研究矮星系的起源与演化。她解释说:“通过研究群体中的极端个体,我们能够增进对整体的了解。” 
 
在本星系群里,体型最大、名气也最大的矮不规则星系非大、小麦哲伦云莫属。它们看上去就像是南半球夜空中的两团模模糊糊的斑块。大、小麦哲伦云可是神话传说中的名角:在澳大利亚原住民世代相传的故事里,它们被描绘成一男一女、猎人、或者是虹彩吸蜜鹦鹉(当地的一种小鹦鹉)的灰烬。大、小麦哲伦云离我们分别16万光年和20万光年远,这两个距离略大于银河系的直径。因为离得比较近,科学家能够分辨出其中的恒星个体,对它们俩略知一二。
 
“同研究许多恒星的混合星光相比,研究恒星个体的运动和物质构成能让我们更加准确、更细致地理解星系的形成过程。”Geha说。
 
大麦哲伦云离我们很近,天文学家能够分辨出其中的恒星个体。于是,这个矮不规则星系成为一个天然实验室,让我们研究星系的形成。(图片来 源:NASA/JPL-CALTECH/M. MEIXNER(STScl) & THE SAGE LEGACY TEAM)
 
 
哈勃空间望远镜拍摄的图像显示,在大麦哲伦云中,有正在密集地形成恒星的团块,可能是球状星团的前身。其中一些新形成的恒星,其质量可能高达100倍太阳质量;它们极其明亮,发出猛烈的星风,把周围的气体吹成气泡和气流状。这些激烈的恒星形成区能让我们更好地了解大质量恒星的形成——在位于本星系群外的、非常遥远的星系内部,这个过程也常常上演。
 
虽然大、小麦哲伦云被银河系的引力束缚着,但它们是已经围绕银河系转了好几圈,还是第一次坠入银晕?天文学家仍然莫衷一是。
 
美国空间望远镜研究所的天文学家Fox说:“我认为这个问题尚无定论,这主要是因为我们还不确切地知道银河系的总质量。这意味着我们也无法精确地知道银河系的引力大小,而后者直接影响着大、小麦哲伦云的运动轨道。”正是Fox把银河系比作山顶上的村庄。
 
不管大、小麦哲伦云已经绕银河系转了多少圈,我们可以确定的一个事实就是: 银河系的引力正在把它们扯散。Fox与同事的研究显示,银河系正在剥离这两个矮星系的气体,并把其汇聚在一个叫做“麦哲伦流”的大质量云团中。从地球上望去,这团气体横跨了近四分之一的天空。由于气体是恒星形成必不可少的原料,银河系正在夺取大、小麦哲伦云的恒星形成资源,收为己有。
 
 Fox说:“星系周围有多少气体,这些气体又是如何落入星系,支援星系内的恒星形成的?这些问题是近几年的研究热点。”对麦哲伦流的观测为天文学家提供了近距离观察星系间气体循环的机会。这些观测表明,大质量星系就像食人族一样,吞噬着质量较小的同类。
 
 
缺失的金属和质量
 
在天文学家眼中,任何比氦重的元素都算是金属元素。恒星就是制造金属元素的工厂。它们制出的金属有一些成为了星云的组成部分,而星云则是孕育后几代恒星的地方。因此,星系里金属元素的丰富程度(即金属丰度)随着时间的推移不断增加,至少对那些正在积极地形成恒星的星系来说是如此。平均来讲,大质量星系的金属丰度比小质量星系的金属丰度高。
 
银河系和仙女座星系(M31)是本星系群里质量最大的星系成员。它们的金属丰度也是最高的。你手上戴的戒指、片刻不离身的手机、还有今早喝咖啡时搅拌咖啡用的勺子,都与这些金属脱不开关系。
 
同为本星系群成员的不规则矮星系,其金属丰度就低多了。天文学家把金属丰度低的星系称为“化学原初星系”——它们主要由氢和氦组成,就像大爆炸后不久的宇宙一样。这些星系像时间囊:可以让天文学家研究在被恒星制造的金属“污染”之前,早期宇宙是什么样子。
 
天文学家在SEGUE(Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration)的观测数据中真找到了这样的星系。作为斯隆数字巡天的拓展项目,SEGUE在2004年至2008年展开全面的巡天观测。天文学家对SEGUE的数据进行梳理,从中搜寻位置和速度相似的恒星,希望借此找到用现在的望远镜无法看到的、既小又暗的新星系。2009年,美国和欧洲的科学家在SEGUE的数据中发现了一个极小的星系。这个被命名为Segue2的星系围绕银河系运动,但它的个头却只及银河系大小的五百分之一。
 
由于Segue2离我们不远——11万4千光年,比银河系的直径还要小——天文学家能够分辨出其中的恒星个体,并研究它们的金属丰度。在天文学研究中,比起研究群体的平均情况,研究个体常常带来新的发现。这一点很像体育学和政治学研究。密歇根大学和加利福尼亚大学欧文分校的研究人员使用智利的6.5米口径麦哲伦望远镜,研究Segue2中最明亮的恒星(一颗红巨星)的金属丰度。他们发现,这颗恒星的金属丰度出奇地低:只有太阳金属丰度的千分之一。这些测量结果表明,Segue2没有经历过大量的恒星形成。其它观测也证实了这一点。
 
微型星系Segue2是本星系群中最古怪的星系之一。在矮星系中,暗物质通常远多于普通物质,但Segue2的暗物质很少——说明大量暗物质都被银河系剥离了。(图片来源:GARRISON-KIMMEL, BULLOCK (UCI))
 
 
加州理工学院的天文学家Evan Kirby正在研究Segue2。他说:“Segue2目前只有几千颗恒星成员,而形成这些恒星却花了几亿年时间。所以,它的恒星形成率平均值是每年形成0.00001颗恒星,真够可怜的。”
 
不过,从另一方面看,Segue2也有其特别之处——它的质量(或者说缺乏质量)。绝大多数星系都含有大量的暗物质——一种与其它物质只有引力作用,既不发光、不反射光、也不散射光的神秘物质。像银河系这样的星系,其暗物质的含量是重子物质含量的十倍。相对来说,质量较小的矮星系含有更多的暗物质——其含量可以达到重子物质含量的一千倍之多。刚开始研究Segue2时,Kirby及其团队预测它也含有大量的暗物质。他们使用夏威夷的凯克望远镜II研究Segue2中恒星的运动情况,由此推测出Segue2的暗物质含量与重子物质含量的比值不会超过300比1——远低于预测值。
 
 “比值小可能说明Segue2的一部分暗物质被银河系剥掉了,”Kirby说。根据观测结果,Segue2的总质量(包括暗物质在内)不高,只有20万倍太阳质量。听上去这好像是很大的质量,但实际上,比银河系的总质量低了一千万倍。
 
如果把银河系比作大众牌甲壳虫车,Segue2充其量也只不过是车身上的一只小瓢虫而已。
 
“这些系统虽然具备了星系的所有属性,但却没有几颗恒星,很荒谬。如此小的星系也能形成,真令我惊奇,”Geha说。
 
而且,这样的星系可能还不止一个。天文学家怀疑,本星系群的星系成员数目可能远远超过现在已知的85个。“我们每看见一个星系,就可能还有几百个星系我们没看见。”Kirby说。“公平地讲,那些我们没看到的星系,绝大多数可能连一颗恒星也没有——只有暗物质——把它们称为星系都成了问题。”
 
科学家们正在寻找类似这样由暗物质主导的星系。在今年年初,以美国罗切斯特理工学院的Sukanya chakrabarti为首的天文学家团队宣布,他们发现了四颗恒星,可能属于本星系群中一个主要由暗物质构成的星系成员。
 
 
朝着M31而去
 
大、小麦哲伦云、Segue2、以及其它几个邻近的不规则矮星系都被银河系的引力束缚着。这在本星系群中并不少见。距离我们大约250万光年远的仙女座星系(M31)也有几个卫星星系环绕左右。这个事实不怎么令人惊讶,因为银河系和M31是本星系群中质量最大的星系。
 
仙女座星系(M31)是本星系群中最大的星系,拥有大约一万亿颗恒星——超出银河系的恒星数目两倍有余。上图展示了它在紫外波段的模样。(图片来源:GALEX/ NASA/JPL-CALTECH)
 
 “作为本星系群中质量最大的两个成员之一,仙女座星系驱动着本星系群的大部分演化。” 华盛顿大学的天文学家Benjamin Williams解释说。他的研究对象是近邻星系中的恒星族群。实际上,有证据表明,M31与其卫星星系之间的互动可比银河系多多了。 “它的恒星晕具有更多的结构,布满星流,说明它过去经历过不少激烈的事件,”Williams说,“它的卫星星系现在很少形成恒星,这也说明它们之间有较多的相互作用。”
 
在今年早些时候,美国圣母大学和威斯康辛-麦迪逊大学的天文学家报告说,发现M31被一大团气体包裹着。借助哈勃望远镜,他们看到这个气体晕一直延伸到M31与银河系间距的一半远处,而且含有碳、氧和硅,其中一些元素可能是被从M31吞并的卫星星系中剥离出来的。
 
上图是天文学家为庆祝哈勃空间望 远镜25岁生而制作的。它是望远镜至今为止拍摄的最大的图像,总共用了7000多次曝光才完成。这张全景图展示了仙女座星系——离我们250万光年远的邻 居,从致密的中心核球一直向外延伸到星光稀疏的外盘区域的图像。(图片来源:NASA/ESA/J. DALCANTON, B.F. WILLIAMS, AND L.C. JOHNSON(UNIV. OF WASHINGTON)/ THE PHAT TEAM/ R. GENDLER)
 
不过,证明大星系吞噬小星系不单单是为了让人毛骨悚然的。“观察一个矮星系被拉长,直至消散在银河系或者M31那光滑的外围区域,就是在实时观看星系的成长过程。”Kirby说。像Kirby这样的天文学家想要理解星系如何聚积质量,长成我们如今所见的模样,而无需等待大约50亿年去看银河系和M31如何相撞。
 
 “那场碰撞将毁掉银河系和M31的旋臂,留下一个毫无特征的椭圆星系,”Kirby说。但是,本星系群里的不规则矮星系命中注定不会遭遇如此猛烈的碰撞。“它们中的绝大多数会继续围绕它们的宿主星系运动——甚至是在‘大碰撞‘发生之后,它们的恒星成员也不会有什么变化。
 
当银河系与M31最终并合成一体,它们中心的超大质量黑洞将互相绕转,同时释放出大量的能量。然而,超大质量黑洞在本星系群中并不多见。在大约85个星系成员中,只有3个(银河系、仙女座星系及其矮椭圆卫星星系M32)表现出中心有超大质量黑洞的迹象。而本星系群中质量最大的星系成员中也有它们仨的身影,这绝非偶然。“一般情况下,中心有黑洞的星系最少也有十亿倍太阳质量。”Kirby解释说。“而在本星系群中,绝大多数不规则矮星系最多只有一亿倍太阳质量。所以,还没有任何证据表明在它们的中心藏有超大质量黑洞。”
 
仙女座星系和银河系共同主宰着本星系群,风车星系(M33)则以其四百亿颗恒星成员位列第三。它也常常被认为是我们肉眼可见的最遥远的天体。(图片来源:ESO)
 
在本星系群中,同类相食的事件常常发生在大质量星系周围。即使如此,一些星系似乎能够独善其身。旋涡星系M33,也被称为风车星系,在本星系群质量最大的星系成员中,紧随银河系和M31之后,排在第三位。它围绕M31运动,中心没有核球——存在核球往往是以前经历过星系并合的迹象。不仅如此,它的400亿颗恒星成员排列成旋涡状。这是一种脆弱的几何结构,任何较大的引力作用都能破坏它。
 
NGC604是M33里一个巨大的恒星形成区。它的存在表明这个星系含有大量气体。如果在过去某个时期,M31以某种方式剥离了风车星系的气体,那么,这些气体必定早在NGC604形成第一批恒星之前几百万年就已得到补充。
 
 “M33为我们提供了一个近邻的研究对象,让我们研究在几乎不受卫星星系骚扰的星系中,星盘如何形成与演化。”Williams说。
 
在本星系群内远离银河系和M31的地方,星系相对来说过着离群索居的生活。在抵达更远的星系团(它们本身也是体型更加庞大的室女本超星系团的成员)之前,这些星系是我们最后遇见的天体。虽然,在高性能望远镜和照相机的帮助下,天文学家如今甚至可以研究本超星系团中星系的复杂细部。但是,本星系群的星系成员们仍然像灯塔一样吸引着我们的目光。
 
 

本周热点

在新窗口打开 实际大小 关闭 鼠标滚轮缩放图片

loading.