宇宙到底有多大(五)离我们最近的十万个星系

[ 录入者:champagnecat | 时间:2016-09-07 21:54:44 | 作者:京晶 译 | 来源:Astronomy | 浏览:2525次 ]
作者:Sarah Scoles 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)
 

银河系位于一个叫做本星系群的星系集群的中心。而这个展幅在1千万光年左右的星系群位于另一个体型更大的星系集群——(本)室女超星系团的边缘。

在18和19世纪,英国天文学家、同时也是父子拍档——威廉·赫歇尔和约翰·赫歇尔用望远镜对全天进行了观测,收集到一些他们称之为“星云”的天体。不过,他们口中的“星云”与我们今天所理解的星云不完全相同。他们只是用这个词去指代一些看上去模糊不清,却又不是彗星的天体。而且,他们相信这些“星云”都是银河系内的天体。

在他们1864年编制的星表中,约翰注意到许多星云都聚集在室女座周围。(其实,法国天文学家查尔斯·梅西耶早在一个世纪前就已经注意到了。)没有人知道这是为什么。

1920年的“世纪大辩论”试图揭开星云之谜。这些天体究竟是邻近的云雾状天体,还是由于距离远而无法看清楚的遥远星系? 天文学家哈罗·沙普利和希伯·柯蒂斯为此展开了辩论。最终,后一种解释胜出。但是,为什么这些星系大多围绕在室女座周围呢?这是纯属巧合,还是另有原因?

到了20世纪50年代,法国天文学家Gerard de Vaucouleurs观察了这些星系的运动情况。令人感到奇怪的是,它们似乎正以同样的速度远离我们而去。和与我们的距离相比,它们似乎离彼此更近。按照天文学的说法,它们之间有“动力学关联”。1953年,Gerard de Vaucouleurs把这群星系命名为本超星系(Local Supergalaxy)。五年后,他又把名字更改为本超星系团(Local Supercluster)。

室女座超星系团是由较小的星系群和较大的星系团聚集形成的一个体型庞大的集合体。它的中心位于室女座星系团,其范围从中心一直延伸到5千万光年之外。上面的示意图以本星系群为中心,展示了所有至少拥有三个比较大的星系成员的星系群。图中球体的大小反映了星系群(团)的成员数目。距离的单位是光年。(图片来源:ASTRONOMY: ROEN KELLY)

 

随着望远镜的能力日渐强大,天文学家能够展开更大规模的巡天观测,记录更多的星系及其运动情况。这些信息为我们拼出一幅更大的图景:星系们聚集在一个盘形区域中。银河系的恒星大多分布在一个薄薄的中央盘面上,本超星系团里的绝大多数星系成员也是如此。科学研究告诉我们——恒星汇聚形成星系,星系聚集在一起形成星系团,星系团进一步结团形成超星系团。而本超星系团的中心就位于室女座方向。

如果把一千个银河系首尾相接,其总长度将会是1亿光年——这正是本超星系团的尺寸。其中,三分之二的明亮星系分布在靠近中央的盘状区域内,剩下的三分之一则像银河系周围的球状星团那样,环绕在周围。本超星系团的总质量高达1千万亿(10的18次方)倍太阳质量。然而,大部分质量都不发光。暗物质在主宰宇宙的同时,也同样遍布在超星系团内各处。不过,从宇宙的角度看,在我们附近还是有不少发光的天体的。

 

认识邻居

距离我们最近的——大约1100万光年远——是马费伊(Maffei )I和马费伊II星系群。虽然它们就在附近,但却正好位于银盘后面,银河系内的物质遮挡了它们发出的光,所以,直到1968年人们才注意到它们俩。意大利天文学家保罗·马费伊(Paolo Maffei)在观测IC1805(一个名副其实的星云)时,发现了一些奇怪的东西。他在红外波段看见不远处有一个发光天体。他猜测那是一个被银河系挡住的星系。在过去二十年里,天文学家已经发现了超过17个这样的星系。

马费伊I和马费伊II星系是距离我们最近的两个星系群的中心。由于银河系内的物质在可见光波段遮挡住了它们俩,上面这幅红外图像揭示出它们的所在。(图片来源:NASA/JPL-CALTECH/WISE TEAM)

 

再往远处走100万光年,轻而易举就能辨认出玉夫星系群了。从2011年至2013年,以澳大利亚射电天文学国际研究中心(International Centre for Radio Astronomy Research)的Tobias Westmeier为首的一群天文学家们,对富氢星系NGC55和NGC300内高速云(high-velocity clouds,简称HVCs)的运动情况展开研究。HVCs没有和宿主星系一同旋转,而是像导弹一样,从外面径直流入星系内部。天文学家认为,当星系耗尽自己的气体储备时,这些云团就会为星系提供原料,使之形成更多恒星。但这些云团又是从哪里来的呢?

NGC300位于玉夫座星系群内靠近我们的那一端。玉夫座星系群与我们相距1200万光年。NGC300看上去几乎与满月一般大小。(图片来源:ESO)

 

对此问题,当时主要有两种解释。Westmeier想知道哪一个是正确的。其中一种解释是,HVCs本是星系内的气体团块,后来被超新星爆发给喷了出来;另一种解释是它们来自于暗物质主导的矮星系,而且从未形成过恒星。“天蝎座星系群离我们较近,因此是最合适的研究对象,” Westmeier说,“我们有足够高的分辨率和灵敏度去探测潜在的HVCs。”

他们在NGC55的周围发现了预期的卫星星系,但在NGC300附近却一个也没找到。这个发现自然而然地排除了“暗物质主导的矮星系”理论,因为,两个大小相差无几的星系理应拥有数目相近的卫星星系。那么,这说明HVCs源于流入或者流出星系的气体流。这种情况发生在大星系吞噬小星系或者有恒星形成的时候。

尽管如此,在这项研究中,最令人惊奇的发现是大星系的气体盘是摇晃不定的。在冲压的作用下,气体盘在运动的同时,还左右摇晃。只有当星系猛地撞击致密的星系际介质时,才可能发生这样的情况。天文学家知道星系团被致密的物质晕包裹着,但他们原先认为在体型较小的星系群周围只有薄薄的物质晕。

压力吹走气体,意味着星系无法形成恒星——在小卫星星系里,恒星形成甚至完全停止。“由于气体是未来恒星形成所需的原料,失去气体可能使生活在星系群中的矮星系停止形成恒星。”Westmeier说。

这个发现有助于解决“卫星星系缺失问题”。这个难题出现于15年前,当时,计算机数值模拟显示,像银河系这样的星系应该拥有较多的矮卫星星系,其数目超过了我们实际观测到的数目。

 “这个差异表明,要么数值模拟出错了,要么存在某种机制阻止了大部分的暗物质晕形成卫星星系,”Westmeier说。如果压力把气体剥掉,就像玉夫座星系群里发生的那样,那么小星系就无法再形成恒星,这意味着卫星星系并没有缺失,而是我们看不见它们。

 

不寻常的猜想

半人马座A星系群与我们相距大约1200万光年,与玉夫座星系群一样远。这个星系群的核心成员——半人马座A是离我们最近的射电星系。这个庞然大物在大约5亿年前吞食了一个旋涡星系。时至今日,它还没有消化完,因此发射出强烈的射电波。我们可以把半人马座A当作一个实际案例,来想象一下银河系和仙女座星系在40亿年后相撞的情景。

远在1200万光年之外的半人马座A主宰着它所在的星系群。这个大质量星系在可见光和射电波段发出强烈的辐射。它之所以会发出强烈的射电辐射,可能与它在5亿年前吞噬了一个伴星系有关。(图片来源:ESO)

 

在同样的距离处,还有一个更容易辨认的星系集合——M81星系群。它位于大熊座和鹿豹座的交界处,拥有一万亿倍太阳质量。目前已知它有34个星系成员,其中最出名的就是M81和M82。这两个星系正在互相拉扯,促使M82变成了恒星制造工厂。M82的中心区域比银心还要明亮一百倍,这是星系际空间里的氢气在引力的作用下落入星系中心所导致的。

M82住在一个以它的邻居M81命名的星系群里。这两个星系正在互相拉扯,促使M82形成大量新恒星。(图片来源:NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM(STScl/AURA))

 

而这一切的幕后推手正是M81——它被冠以“该星系群中最大的星系”之名。它拥有完美的旋臂,在其中心还潜伏着有一个有7千万倍太阳质量的超大质量黑洞。

南风车星系(M83)是半人马座A星系群中第二明亮的成员。它距离我们大约1500万光年远,比群里最明亮的成员半人马座A还远大约300万光年。(图片来源:NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScl/AURA))

 

 

混乱的集体

与井然有序的M81星系群相比,猎犬座I星系群似乎有点混乱。它位于猎犬座和后发座方向,距离我们1500万光年远,由大约20个星系成员松松散散地聚成一个团体。不是所有的成员都在稳定的轨道上运动,它们彼此之间的引力束缚似乎并不牢固。

让我们再回到大熊座方向,继续往远处走几百万光年就会遇见另一个松松垮垮的团体——M101星系群。这个群体全靠其核心成员M101把其它成员束缚在一起。M101的性质与银河系相似,群里的绝大多数成员都只是它的卫星星系。M101的直径为17万光年,拥有紧密缠绕的旋臂和1千亿倍太阳质量。

距离我们1800万光年远的旋涡星系M101是其所属的星系群里的核心成员。它正对着我们,展幅为17万光年。(图片来源:NASA/ESA/K. KUNTZ(JHU), ET AL./STScl)

 

再往西南方走不到20度,我们就会遇到猎犬座II星系群。它与我们相距3千万光年,其最大、最出名的成员是M106。这个星系里的水蒸气发出微波脉冲,产生巨脉泽信号——类似激光的、巨大的微波信号。天文学家利用环绕M106中心超大质量黑洞的水巨脉泽信号,直接测量它的距离。

在这个星系里还有“标准烛光”——造父变星。由于它们的亮度变化是可以预测的,天文学家利用这一点来测量距离。这类恒星好似间断电源控制的圣诞彩灯,有规律地变亮、变暗。其亮度的变化周期又透露出恒星自身的光度。再与观测到的亮度比较,天文学家就能计算出它的距离。因此,M106里的水巨脉泽源和造父变星能够帮助天文学家校准宇宙距离标尺。

借助水蒸气的微波辐射,我们确定了M106的距离——3000万光年。(NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM(STScl/AURA)/R. GENDLER (FOR HUBBLE HERITAGE TEAM))

 

 

把它们整个串起来的环

M96星系群位于狮子座方向,离我们大约3600万光年远,拥有很多既大又明亮的星系成员——其中有12个成员的直径超过3万光年。2010年,它还帮助天文学家研究星系的形成,这多亏了一个环绕在其周围的、展幅为65万光年的冷气体环。近30年来,没人知道这个环是从哪里来的,或者它到底是什么。

后来,由法国里昂天文台的天文学家带领的研究团队决定揭开气体环的奥秘。他们认为它可能是“原初气体”——从未落入过其它星系,而且(以其目前的状态)也无法形成恒星。天文学家认为要形成星系,需要有原初冷气体落入其中。这些气体就像营养丰富的食物一样,滋养了星系早年的成长。但是,望远镜从未在正在成长中的星系的周围发现古老的原子群。科学家认为狮子座环可能就是他们要找的。

但是,当他们把望远镜对准它时,却发现它发射出明亮的可见光——就是年轻的大质量恒星发出的那种光。显然,原初气体不会形成这样的恒星。因此,狮子座环又新添了一个待解之谜。

借助计算机数值模拟,科学家发现这种环结构是一次大碰撞留下的疤痕。在十多亿年前,位于星系群中心的椭圆星系NGC3384与外围的旋涡星系M96撞到了一起。其中一个星系的气体被吹跑,最终形成了这个气体环。

 

最大的,也是最糟糕的

室女星系团是本超星系团中最大的星系聚集体,其中心距离我们约有5500万光年远。如其名所示,你可以在室女座的方向看到它。我们之前提到的那些星系群和星系团只有区区几十个成员,而室女星系团却拥有1300个甚至可能2000个成员。成员的质量总和高达1200万亿倍太阳质量,整个星系团的展幅为720万光年。

在星系成员之间散落着一群星系际恒星——其质量总和占星系团总质量的百分之十。那里还有球状星团,被从宿主星系身边拽走的矮星系,以及至少一个恒星形成区。发出X射线的炽热气体弥漫在星系际空间各处。

室女星系团的体型是如此庞大,以至于实际上可以再把它细分成几个子团:室女A、室女B和室女C。室女A的质量是另两个子团的质量的两倍大,因此成了星系团的主宰者。这三个子团最终会并合成一个巨大的星系团。由于它们目前还未合为一体,天文学家怀疑室女星系团还很年轻,仍然在确立自己的身份。

居住在星系团中心——即室女A子团的中心——的是巨椭圆星系M87。在室女星系团中,像M87这样明亮的星系比比皆是。它们实际上就是梅西耶和赫歇尔看到的集合体——这是宇宙中存在超星系团的第一个证据。梅西耶天体中有15个都出自这里。不少成员仅用业余天文望远镜(无需多高端的配置)就能看到——例如M84、M86、M87、草帽星系(M104)和黑眼睛星系(M64)

巨大的室女星系团拥有上千个星系成员。出现在图中心区域下方的就是星系团中质量最大的成员M87。(图片来源:TERRY HANCOCK)

 

在室女星系团中,有不少星系与地球的距离几乎相同,因此,天文学家便把它当作研究星系演化的天然实验室。外星访客通过观察体育馆里形形色色的人(而非单一家庭),可以增进对人类演化的了解,天文学家也是如此。他们通过研究室女星系团里的一大批星系,获取更多有关星系的知识。

最近,他们对恒星的形成有了新认识——确切地说,恒星形成并非如许多人预期的那样,是一个快速的过程。2014年,一项研究发现室女星系团中心的湍流——就是使飞机晃动的那种气流——摇晃形成恒星的气体,使其在长达几十亿年的时间里都无法冷却。湍流的制造者就是隐居在星系中心、并且喷发出能量强劲的喷流的活跃黑洞。这些湍流使气体无法稳定下来形成恒星。

“这些慢速气流足以阻止气体迅速冷却形成恒星,”这项研究的领头人、加州帕罗奥托市斯坦福大学的Irina Zhuravleva说。理解星系和星系团中心的恒星形成为什么停止,有助于天文学家理解这些星系和星系团的演化过程,以及我们银河系和本星系群未来的命运。

 

鱼和熊

再往远处走,走到5900万光年远处就是剑鱼座星系群。它位于南半球的剑鱼座(这种鱼在餐馆的菜单上一般叫做鲯鳅)方向,拥有70名成员。其中最有名的非NGC1483莫属。这个星系有高亮度的中心核球和蓬松的旋臂,旋臂上点缀着明亮的恒星形成区和年轻的星团。

大约同一距离处,但是在大熊座方向,两个星系群体聚集成团。其主要成员大都是旋涡星系,它们与其它一些小星系发出的光,相当于室女星系团总光度的百分之三十。这个数字听上去可能没多大,但是,大熊座星系群的质量仅有室女星系团总质量的百分之五。

32个星系聚在一起,结成大熊座北星系群,其成员包括明亮的旋涡星系NGC3631、NGC4088、NGC3953和M109。M109与银河系十分相似。在梅西耶星表列出的109个天体里,数它离我们最远。这意味着用18世纪制造的望远镜无法看到比它更远的天体了。不过,今天在地面上和空间中工作的大型望远镜已经能让我们瞥见几十亿光年远的星系了。

 

移动的研究对象

要把这些星系进行分类可没那么容易。它们相对于我们的朝向各不相同,而且从正向看和从侧向看一个旋涡星系,会得到很不一样的印象。我们只有星系的平面投影信息,却没有它们的三维立体影像。对盘状星系(如旋涡星系和椭球星系)来说,问题尤其严重。尽管如此,我们还是可以通过观察星系里恒星的运动情况来辨别星系的形状。如果恒星旋转得既缓慢又无序,就是椭球星系。如果恒星有规律地快速旋转,那就是盘星系。

在澳大利亚悉尼大学的Nicholas Scott的带领下,一个天文学家团队对6200万光年远处的天炉座I星系团内的恒星运动展开了研究。他们发现星系团里有93%的星系都是快速旋转者(旋涡星系),只有7%是慢速旋转者(椭球星系)。把这项研究与其它星系团(包括室女超星系团里更大的星系团)的研究结果结合起来看,Scott的团队发现椭球星系倾向于分布在星系团的中心区域——它们要么出生在那里,要么是后来才迁移过去的。

距离我们6200万光年远的天炉座I星系群是本超星系团里最遥远的成员之一。图中还可见到星系NGC1427A。(图片来源:NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM(STScl/AURA))

 

“一个争论了很长时间的问题是,星系演化究竟是先天的,还是后天的,”Scott说。星系之所以演化成我们今天看到的模样,是完全取决于其在宇宙早期的性质,还是周边环境的影响?“这项研究表明,至少对一些星系来说,环境的影响很大。”他补充说仍有许多问题没有回答,未来的星系团研究将会告诉我们答案。

关于宇宙,我们总有更多的问题有待解答——恒星、星系、星系群、星系团、超星系团,甚至更大的物质结构。由于宇宙中的物质集结成超星系团,成员们“彼此靠近”。天文学家只需转一转望远镜,便能找到由各种成员构成的集合体。他们不仅需要研究遥远的宇宙是什么样子,还要研究它在过去是什么样子,将来又会演化成什么样子,邻近的宇宙曾经发生过什么事,将来又会发生什么事。

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