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失踪星系?不不,它们太多了!

如果从南半球仰望夜空,我们很容易就能看大麦哲伦星云。它看上去像是银河系的一条旋臂,但实际上却是一个直径约为3万光年、拥有数十亿颗恒星的小星系。

大麦哲伦星云并不是唯一一个围绕着银河系缓慢旋转的卫星星系。早在1999年,天文学家就已经探测到了十几个这样的伴星系,其中许多是肉眼无法观测到的。那时,计算机模拟已经预测到,银河系的附近应该熙熙攘攘地集聚着数千个微小的伴星系。那么,那些失踪的卫星星系都去哪了?

这个谜团困扰了天文学家近20年。有人提出这可能涉及到星系演化的新想法;另一些人则提出这与神秘的暗物质有关。

但在过去的几年里,发生了一件奇怪的事情:新的观测让天文学家发现了更多被隐藏的卫星星系;但同时,更新后的计算机模拟却预测,存在的卫星星系要比之前预测的少得多。

也就是说,在21世纪初,天文学家还在担心卫星星系太少;但是到了2018年,卫星星系又似乎太多了——失踪卫星星系的问题来了个大的反转。

现在,天文学家看到了一个潜在可行的解决方案。但矛盾的是,解决卫星星系“供过于求”的问题可能意味着要假设卫星星系的数量要比之前认为的还多,前提是这些卫星星系都要非常小。

失踪星系?不不,它们太多了!

○ 对星系晕中暗物质的模拟显示了许多暗物质团块的存在。天文学家想知道,每个团块的质量必须多大,才能吸引足够多的普通物质形成矮星系。| 图片来源:Shea C. Garrison-Kimmel / ELVIS

比矮星系更暗淡的星系

2004年,天文学家在解决卫星星系失踪问题的方向上迈出了第一步。那时,纽约大学的博士后贝丝·威尔曼(Beth Willman)发现,自己正盯着的电脑屏幕上的一张黑色图片中央是(至少她觉得是)一个暗淡模糊的斑点,上面点缀着来自银河系的红色、橙色和蓝色的前景恒星。她担心那个模糊的斑点只是自己想象出来的东西。

如果那个斑点被是一个真实的物理实体,那它可能是一个超暗淡矮星系,它的亮度只有当时已知的最小星系的1%。

但这似乎又是不可能的。就在两年前,天文学家们还在争论,为什么没有发现更多的矮星系。此外,要如此微弱的天体去维持那些能激发恒星形成所必需的气体似乎有些牵强。威尔曼回忆说:“我当时非常犹豫要不要对它进行解读。我想,这些东西不可能真的存在,它们看起来非常微弱。

但事实证明这是真的。这一发现表明了银河系的外缘还隐藏着更多的秘密。

在斯隆数字化巡天(SDSS)和暗能量巡天(DES)的帮助下,已知卫星星系的数量增加到了50多个。许多星系与威尔曼发现的天体相似——可能小到只能容纳1000颗恒星的超暗淡矮星系。

但即使是这些巡天项目也没有覆盖整个天空。它们也不能确定银河系附近的每一个矮星系。有些非常暗淡的矮星系超过一定距离就再也无法看见了。

2008年,天文学家发表了一系列将探测极限纳入考量的论文,以试图更准确地预测银河系中聚集的矮星系数量。得到的统计数字令人震惊。太空望远镜科学研究所的天文学家们估计,这种看不见的矮星系可能有多达1000个——这个数字比刚开始研究失踪卫星星系问题时知道的12个要大得多。

现在有一种观点认为:有许多非常微小的星系潜伏在那里,但我们看不到,它们就是一些小小的幽灵星系。与此同时,研究人员一直在对星系形成过程运行新的计算机模拟。他们发现,像银河系这样的大星系应该会在整个宇宙时间里吞噬掉这些幽灵星系。

更好的宇宙模型

早期的针对宇宙历史的计算机模拟预测,应该有成千上万个星系围绕着银河系,但是这些预测有一个主要的局限性:它们只包括了暗物质。

早期的模拟是存在问题的,原因有二。首先,要模拟宇宙138亿年的历史并包含它的所有复杂性显然是不可能的。但是如果只是模拟暗物质,就变得可行了。这是因为据我们所知暗物质相对简单,只通过引力相互作用。与此相反的是,普通物质则会以多种方式相互作用。例如,恒星会发生灾难性的爆炸,这些爆炸将能量释放到宇宙中,加热周围的气体;它们还在宇宙中播撒重元素,为下一代恒星提供燃料。

研究人员曾经认为,这些细节可以忽略不计。事实上,只包含暗物质的模拟在重建宇宙的大尺度宇宙结构方面做出了卓越的贡献。这就引出了第二个原因:暗物质负责宇宙的结构布局。

暗物质提供脚手架,支撑着散布在宇宙各处的星系。以我们的银河系为例,银河系嵌在一个巨大的暗物质云(或称暗物质晕)中,它的大小远超银河系的螺旋状星系盘。宇宙学家认为,首先形成的是暗物质晕。随着时间的推移,暗物质晕的引力吸引了所有的普通物质,形成了尘埃和恒星的旋转盘。

此外,暗物质晕还包含许多微小的晕,这些微小的暗物质晕本身则构成了卫星星系(如大小麦哲伦星云)的架构。正因为如此,暗物质模拟实际上是对宇宙中可见物质的良好近似。

好,却并不完美。更好的计算设备、更快的处理器,加上对围绕普通物质的物理过程(比如恒星爆炸的无情影响)的更好理解,天文学家已经开始获得能将正常物质包括在内的复杂模拟所需的工具。

2016年,加州大学戴维斯分校的Andrew Wetzel和同事们首次对一个中央大质量星系与它周围众多矮星系进行详尽的模拟。它与之前只包含暗物质的模型一点也不像。在Wetzel的模型中,中央星系摧毁了非常多非常矮星系,以至于在138亿年之后,只剩下了其中的13个。尽管之前存在大量的矮星系,现在却几乎所剩寥寥了。

天文学家开始研究其中的原因。2017年年中,Wetzel和加州理工学院的天文学家Shea Garrison-Kimmel以及他们的同事发表了另一篇论文,比较了包含与不包含普通物质的模拟。结果发现,在包含普通物质的模拟中,星系盘中额外的物质会给中央星系一个更强的引力场。这正是一切区别之所在:没有普通物质,矮星系会在银河系里进进出出,可以毫发无损地逃脱;但是有了普通物质,星系盘会把矮星系撕成碎片。

这项工作进一步地减少了由模型所预测到的矮星系数量。颇为矛盾的是,它让天文学家认为的潜伏在银河系边缘的矮星数量进一步增加。

模拟银河系

Garrison-Kimmel和同事们认为,银河系的星系盘是贪婪的,它吞噬矮星系,但只吞食那些星系盘附近的星系。如果将银河系比作一个爱吃饼干的怪兽,那它是一只只会吃掉房子里所有的饼干,但可能不会跑到面包店去吃外面的饼干怪兽。

正因如此,我们应该预期,在银河系星系盘附近发现的矮星系会相对较少,而徘徊在银河系晕外边缘的星系会多得多,远远超出我们所能看到的范围。考虑到这一点时,研究人员估计,可能有800到1700个卫星星系恰好超出了我们最好的天文台所能探测的范围。

但是当研究小组在模拟有多少个卫星星系应该形成于宇宙早期时,他们发现那些数字要小得多,只有100到300个。

2018年11月,由Bullock和他的同事进行的一项研究表明,这个问题可能更加严重。以前的模拟关注的只是与银河系大小相近但缺乏明确特征的星系,而这次新的模拟则试图模拟银河系本身。Bullock的研究小组进行了一系列模拟(全部以猫王的不同歌曲命名),对银河系的质量、结构和演化进行全面的最佳评估。

这些模拟结果表明,我们的银河系确实像一只饼干怪兽。大概只有30个卫星星系有幸存活到了今天。这比天文学家已经发现的数量要少。

这两项研究都表明,与20年前相比,研究人员面临着相反的问题:银河系周围似乎聚集了数以千计的星系,但模拟预测的数量却只有几十个。

矮星系与暗物质

但是Bullock和同事们不仅概述了这个问题,还提出了解决方案。

长期以来,计算机模拟一直表明,围绕银河系形成了大量微小的暗物质晕。但是天文学家认为这些暗物质晕并没有形成星系。他们认为这存在一个阈值,当低于这个阈值时,微小的暗物质晕就没有足够的引力去保持恒星形成所必需的气体。因此这些暗物质晕里既没有恒星,也不可见。

近20年来,天文学家一直认为,能够形成星系的暗物质晕的质量阈值大约是太阳质量的五亿倍,但是Bullock的研究小组怀疑这个数字太高了,他们预测这个阈值应该大约只是太阳质量的3000万倍。

如果这样一小团暗物质真的能抓住足够多的普通物质来形成恒星(进而形成星系),那么模拟结果就与观测结果相匹配。事实上,Bullock的研究小组能够模拟真实得可怕的星系:不仅模拟的微小暗物质晕的数量与观测结果的预测吻合,而且星系轨道的形状也与已探测到的结果一样。

这些微小的暗物质晕是如何形成比之前认为的要小得多的矮星系的呢?这仍然是个未知之谜,但是它们有可能有助于天文学家了解暗物质的本质。

大多数宇宙学家认为,暗物质粒子是“冷的”,也就是说它们的移动很缓慢。正因如此,它们可以聚集成许多微小的晕,为矮星系的形成提供诸多场所。而根据定义,“热的”暗物质运动速度更快,不会轻易地聚集起来。事实上,热的暗物质粒子根本无法形成微小的暗物质晕。所以,这些矮星系的存在就说明了热暗物质不可能起到了什么作用。

这一点的重要性不可低估。因为研究人员一直想要确定暗物质的粒子属性,以便能够了解宇宙中这个缺失的组成部分。

科学家是否真的能利用这些矮星系来研究暗物质的一些基本性质呢?有研究指明,这或许是一条正确的道路。有研究人员认为,他们很快就能将这些从超暗淡矮星系中学到的东西扩展到暗物质方面的研究了。

那么银河系是否只是一个例外?我们可以寄希望于一些未来的观测项目,比如大型综合巡天望远镜(LSST)。LSST将把观测范围扩大到银河系以外,以帮助天文学家更好地掌握那些隐藏在我们附近的星系——包括围绕着仙女座星系的那些星系。

如果未来的研究能够证实,这些微小的星系大量地存在于银河系、仙女座和其他星系的周围,那么它不仅会影响我们对暗物质的理解,还将增加宇宙中星系的绝对数量。

Bullock认为,在每一个大小与银河系相近的星系周围,都可能围绕着大约1000个微小的星系。此外,矮星系还占据了大星系之间看似茫茫虚空的广阔空间。因此,宇宙中每一个大星系的周围可能都围绕着多达10万个的矮星系。

据天文学家目前的估计,在可观测宇宙中可能存在着上千亿个星系。但这些都是大小与银河系相当的星系。如果将计数扩展到微小的星系,那么星系总量可能超过一亿亿(1016)。

失踪星系?不不,它们太多了!

○ 哈勃超深空揭示了隐藏在一小片天空中的大约一万个可见星系。| 图片来源:NASA, ESA, and S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team

在那张经典的哈勃超深空照片中,我们从一小片黑暗的天空就发现了一万个星系。然而,在这幅图像中,可能有10亿个小星系隐藏在我们的视线之外。当然,它们可能有别于我们在哈勃档案中看到的那些标志性星系,而是更像威尔曼在2004年看到的那类模糊的斑点。但过去几年的发现表明,在哈勃望远镜视线所及之外,存在着数量远超我们想象的星系。

原文标题为“Missing Galaxies? Now There’s Too Many”,首发于2018年1月9日的QuantaMagazine。原文链接:https://www.quantamagazine.org/the-problem-of-the-missing-satellite-galaxies-gives-way-now-theres-too-many-20190109/。中文内容仅供参考,略有增删,一切内容以英文原版为准。