“看不见”的星系毕竟有几多？从卫星星系到暗物质实质

　　设立在南美洲智利境内海拔超过5000米的阿塔卡马戈壁之中，ALMA是“阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列”的英文缩写，这是一座由66面射电天线构成的庞大阵列

　　ALMA千里镜拍摄的SDP81星系图像，这是一个间隔地球约120亿光年的遥远星系，此前在2010年，由赫歇尔空间千里镜的图像中，它看上去只不过是一团隐约的光点

　　新浪科技讯 北京时间6月1日消息，据英国广播公司(BBC)网站报道，亚沙·赫萨维(Yashar Hezaveh)此前就已经听到了一些传言。而现在，他走进一间小屋子，在第二排一个座位上坐下来，他想证实自己听到的那些传言是否是真的。

　　120亿光年外的隐约星系

　　赫萨维是一名天文学家。这是2015年1月份的一个普通的日子，寒冷而阴沉。美国华盛顿州西雅图，天文学家们正准备出席一个属于世界上范围最大之一的天文学会议。他们都很想看看新的ALMA千里镜拍摄的第一张照片效果如何。ALMA是“阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列”的英文缩写，这是一座由66面射电天线构成的庞大阵列，设立在南美洲智利境内海拔超过5000米的阿塔卡马戈壁之中。

　　这一巨型阵列拍摄的最早一批照片将显示其观察能力。赫萨维听说，在该设备最初拍摄的一批高分辨率图像中，将包括一个编号为SDP81的星系，这是一个间隔地球约120亿光年的遥远星系，此前在2010年，由赫歇尔空间千里镜的图像中，它看上去只不过是一团隐约的光点。

　　赫萨维是一位美国斯坦福大学的研究人员，他急切想要知道的是这首批图像的拍摄质量。多年以来，他一直在利用计算机模子方法模仿相似SDP81这样的星系在ALMA千里镜的图像中可能会呈现的模样。现在，他很想知道自己长期以来所做的模仿是否是准确的。

　　假如事实证明他们的模仿结果是准确的，那么接下来他们就有的忙了。天文学家们正致力于寻找那些相似SDP81这样隐藏在照片之中不容易被注意到的矮星系。矮星系常常是容易被忽略的，几乎是无奈被观察到的。但尽管如此，它们的质量产生的引力作用依然会留下蛛丝马迹。加州大学洛杉矶分校的天文学家托马索·特鲁(Tommaso Treu)指出：“我们无奈观察到这些矮星系，但由于引力的缘故，我们知道它们在那里——这听上去真的很酷！”

　　了解这样的矮星系究竟是否的确存在，以及假如它们的确存在，那么它们的数目有多少？这些对于解决一个宇宙学中的重大问题都至关主要，那就是：究竟是什么物质构成了我们所在的宇宙？同样将要面临严峻考验的还包括现在我们所拥有的关于宇宙形成的最佳理论。尽管已经有了数十年来的巨大成功，该理论依然存在一些缺陷。而这些问题的答案可能就与宇宙中隐藏的矮星系有关。

仙女座大星系和它的两个较大型的卫星星系

　　卫星星系

　　当你想到星系的时间，你的脑海中显现的画面可能是相似我们银河系这样的星系景象：一个巨大的旋涡状圆盘，此中包括数以千亿计的恒星，就像一座宇宙大风车。但矮星系有所不同，相比之下它们更小，也更加暗淡，有些乃至只包括有稀稀拉拉很少数目的恒星。

　　天文学家们认为很多矮行星可能是孤独漂浮在宇宙空间之中的，但也有很大一部分矮行星隐藏在大型星系的四周区域，环绕大型星系公转，成为后者的所谓“卫星星系”，就像卫星环绕行星公转，行星环绕恒星公转那样。

　　比如说银河系的四周，根据现在的观察，就已经确认有超过50个的此类矮星系。这些卫星星系相比银河系而言显得非常渺小，其质量比银河系一般要小1万倍以上，此中有些矮行星中乃至只含有数千颗的恒星。

　　就像在所有其他星系中一样，恒星都是被暗物质包裹着的，后者是构成宇宙超过1/4强的神秘物质，我们现在对于其性质与本质几乎依然是一无所知。暗物质构成了矮行星质量的绝大部分，提供了维持矮星系稳定存在的“引力胶水”。

　　银河系最大的两个卫星星系分别是大麦哲伦星系和小麦哲伦星系，它们两个在南半球使用肉眼就能清晰看到。而其他的卫星星系则显得非常暗淡，只能用千里镜进行观察。

　　到20世纪中叶的时间，天文学家们已经在银河系四周发现了超过10个卫星星系，但其余绝大部分的卫星星系依然一直没有被发现，直到最近10年才有较大的改观，由于现代化巡天计划的执行大大提升了卫星星系的发现效率。

银河系及其四周现在已知的一部分卫星星系分布示意图

　　卫星星系失踪之谜

　　这是一项主要的进展，由于在1990年代晚期，当时天文学家们陷入了一场危机。由于在计算机模仿得到的卫星星系理论数目以及实际观察到的卫星星系数目之间存在着显著的不对应性。当时科学家们一共在银河系四周发现了十几个卫星星系，但这与根据天文学家们引以为豪的宇宙学理论：冷暗物质模子(CDM)得到的理论结果相差甚远。

　　该理论认为暗物质是“冷的”：意思是暗物质粒子在宇宙中运行的速度是慢的(当然这里说的慢是相对光速而言的)。正是由于在早期宇宙时期这些粒子并没有做高速运动，因此这些粒子相互之间的引力作用能够使他们聚集成为体积较小密度较大的团块。这些质量团块产生的引力作用吸引周边的气体物质并最终导致了恒星的产生，由此终于形成一个矮星系。随着时间推移，这些矮行星之间有时间会相互合并，最终形成了相似银河系这样的大型星系。

　　詹姆斯·巴洛克(James Bullock)是美国加州大学尔湾分校的天体物理学家，他说：“冷暗物质模子本质上指明了这样一个原则，那就是范围较小的构造会先形成，随后通过相互合并来形成范围更大的构造或许天体。”

　　假如这一观点是正确的，你将看到的宇宙中就应当存在很多范围较小的团块构造，相比之下质量较大的团块构造就要少得多。事实上，这类团块的质量越小，它们的数目就应当越多。

　　到现在为止，该理论在对大质量团块的数目和质量猜测上非常成功，这里所谓的大质量团块通常来说指的就是大型星系和星系团。但天文学家们现在还须要对该理论在小型星系或许矮星系方面应用的准确性进行测验。

　　更为主要的是，这一理论假如是正确的，那就意味着在一些大型星系，比如银河系的四周空间里可能存在着数以千计，乃至数十万的矮行星正在环绕大型星系公转。当然对于那些遥远的大型星系来说，环绕它们运行的可能存在的矮星系就会显得太远太暗，因此难以使用千里镜观察到。但即便是环绕银河系四周空间，天文学家们现在也只找到了数目相对来说非常少的卫星星系，这种理论与实际观察之间的明显不符合情况被称作“卫星星系失踪之谜”。

引力透镜成因示意图：后方背景星系的光线被前景大质量星系引力场弯曲，效果就像经过了一个凸透镜

　　测验冷暗物质模子

　　在过去的20年间，这种观察与理论之间的隔阂相对减轻了，由于观察已经发现了数目更多的卫星星系。但尽管这一问题已经有所缓解，但它并未消失。

　　特鲁指出：“一些人在说：问题解决了。我们不须要对此感到担忧，那些卫星星系是存在的，问题只不过在于怎么找到它们。”他说：“但我们现在面临的问题就在于：我们还没能找到理论上应当可以找到的那数以千计，乃至数以十万计的卫星星系。”

　　假如卫星星系被证明是不存在的，那么CDM理论模子将被证明是错误的，或许至少可以说是不完备的。巴洛克表示：“这也就是为何进行这样的猜测是如此的意义重大，为何努力找到那些卫星星系如此主要——实际上你正在对冷暗物质模子进行一场测验。”

　　当然还有另外一种可能性，并且这种可能性并不须要推翻或许改变CDM模子。简单来说就是：卫星星系的确存在，但是此中包括的恒星太少了以至于无奈被观察到。毕竟这一理论本质上预言存在的也就不过是一些非常暗淡，范围很小，乃至不包括恒星的物质团块，称为“子晕”(subhalos)。

　　这也就是说，矮星系原本只应当是简单的子晕团块而已，此中可能会有少数的恒星形成。但至于此中会有多少恒星形成——假如有的话，则又是另外一个复杂的问题了。

　　测验CDM模子这一猜测的最直接方法之一就是直接对这些团块构造进行观察，不管它们内部有没有恒星。但这样做的唯一途径就是对其质量对周边环境产生的引力效应进行观察。

转载自:https://tech.sina.com.cn/d/s/2016-06-01/doc-ifxsqxxu4863377.shtml

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