□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

“丟失”的伴星系找到了？

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

何銳思

（Richard de Grijs）

北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

提起宇宙學(xué)，我們的印象往往是這樣的：用最大的望遠(yuǎn)鏡，看到宇宙最深遠(yuǎn)的角落，千方百計(jì)地收集來(lái)自超新星爆發(fā)、或者宇宙中誕生的第一批星系的那一點(diǎn)點(diǎn)微弱的光。但是對(duì)有的宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們關(guān)注的重點(diǎn)卻在“本地宇宙”，也就是我們附近的宇宙：他們想知道，我們能否通過(guò)觀察自己的周?chē)?，了解我們銀河系演化的情況。我們對(duì)本地宇宙了解得如此少，實(shí)在令人驚訝——因?yàn)槲覀円酝鶎?duì)這廣袤天空的檢視太過(guò)粗略了，尚不足以揭示出其中的秘密。不過(guò)，由新望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始的新巡天正在開(kāi)啟天空之門(mén)，它們所揭示的秘密令人驚訝。

2015年3月，全世界的宇宙學(xué)家都興奮起來(lái)了。歐洲和美國(guó)的科學(xué)家各自獨(dú)立地宣布了他們的新發(fā)現(xiàn)：有8個(gè)、甚至9個(gè)矮伴星系在繞銀河系運(yùn)行。伴星系是繞大星系公轉(zhuǎn)的較小的天體結(jié)構(gòu)，這次的發(fā)現(xiàn)是有史以來(lái)最多的一次。矮星系是已知最小的星系，在它們當(dāng)中或許潛藏著幫助我們理解大型星系形成過(guò)程的鑰匙。這次的新發(fā)現(xiàn)來(lái)自“暗能量巡天”（Dark Energy Survey，簡(jiǎn)稱DES）項(xiàng)目最新公開(kāi)的圖像數(shù)據(jù)，它或許還能幫助我們解開(kāi)暗物質(zhì)背后的謎團(tuán)——暗物質(zhì)是不能發(fā)光的物質(zhì)，現(xiàn)在一般認(rèn)為，正是它們提供的引力使星系能夠聚集在一起。

大、小麥哲倫云與智利阿塔卡馬沙漠中帕瑞納天文臺(tái)“甚大望遠(yuǎn)鏡”（VLT）的輔助鏡。圖中只顯示了9個(gè)新發(fā)現(xiàn)目標(biāo)當(dāng)中的6個(gè)，其余的3個(gè)在視野之外。內(nèi)嵌的小圖是其中3個(gè)最顯眼的目標(biāo)（波江座1，時(shí)鐘座1，繪架座1），視野13×13角分（相當(dāng)于暗能量照相機(jī)的3000×3000像素）。來(lái)源：V. Belokurov, S. Koposov (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK)， Y. Beletsky (Carnegie Observatories, USA)

科學(xué)家之前一共發(fā)現(xiàn)了二十多個(gè)這種銀河系的伴星系。其中約有一半是在2005、2006兩年由“斯隆數(shù)字化巡天”（Sloan Digital Sky Survey，簡(jiǎn)稱SDSS）發(fā)現(xiàn)的，SDSS可算是DES的前輩。在最初的“發(fā)現(xiàn)大爆發(fā)”之后，新發(fā)現(xiàn)的速度驟降；在過(guò)去的五年里，沒(méi)有任何新的發(fā)現(xiàn)。因此，這次的發(fā)現(xiàn)是2010年以來(lái)的第一次。這次DES指向了南天一片新的區(qū)域：大、小麥哲倫云附近的天區(qū)。大、小麥哲倫云是銀河系的伴星系當(dāng)中最大、也是我們了解得最多的兩個(gè)矮星系。這次新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，亮度只及銀河系的十億分之一，質(zhì)量只及百萬(wàn)分之一。它們是在科學(xué)家檢查DES第一年獲得的數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，大約覆蓋了全部巡天天區(qū)范圍的三分之一。

銀河系伴星系在天空中的分布。背景圖是2微米全天巡視（Two Micron All Sky Survey，2MASS）制作的紅外天圖。來(lái)源：S. Koposov, V. Belokurov (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK)， 2MASS

大、小麥哲倫云與中性氫的噴流。內(nèi)嵌小圖是發(fā)現(xiàn)的最大（波江座2）與最小（印第安座1）的伴星系。波江座2的圖像視野為13×13角分（3000×3000像素）；印第安座1視野6.5×6.5角分（1500×1500像素）。來(lái)源：V. Belokurov, S. Koposov (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK)， M. Putman (Columbia University, USA)

DES是一個(gè)五年的計(jì)劃，力圖以前所未有的精度對(duì)南天大面積的天區(qū)進(jìn)行照相。其基本設(shè)備是擁有5.7億像素的“暗能量相機(jī)”。這是世界上最強(qiáng)大的數(shù)碼相機(jī)，能夠看到距地球80億光年遠(yuǎn)的星系。它在美國(guó)能源部的費(fèi)米國(guó)家加速實(shí)驗(yàn)室（Fermi National Accelerator Laboratory）建造和調(diào)試，現(xiàn)在安裝于智利安第斯山脈托洛洛山美洲際天文臺(tái)4米口徑布蘭科望遠(yuǎn)鏡上。暗能量是占宇宙中總物質(zhì)與能量70%的神秘力量，這個(gè)五年的巡天計(jì)劃旨在尋找與暗能量的性質(zhì)有關(guān)的線索?？茖W(xué)家相信，暗能量會(huì)是理解宇宙為何加速膨脹的鑰匙。

通過(guò)這兩張圖像你就能明白，要在暗能量相機(jī)拍攝的圖像中看出這些矮星系的候選者是多么困難。第一張圖像是暗能量相機(jī)找到的一個(gè)目標(biāo)DES J0335.6-5403拍攝出來(lái)的效果。DES的科學(xué)家們說(shuō)，它是新發(fā)現(xiàn)的候選者里最有可能是星系的一個(gè)。它距我們約100000光年遠(yuǎn)，只含有很少量的恒星——在暗能量相機(jī)的數(shù)據(jù)中，大約能找到300顆。第二張圖像只顯示了看來(lái)是屬于這一目標(biāo)的恒星，而把其他可見(jiàn)物質(zhì)發(fā)的光黑化處理了。矮伴星系太過(guò)暗弱，必須要像暗能量相機(jī)這樣極其敏感的設(shè)備才能發(fā)現(xiàn)它們。而且，要確定這些新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)是否真的是星系，還需要進(jìn)一步的分析。來(lái)源：Fermilab/Dark Energy Survey

這項(xiàng)有關(guān)矮星系的新發(fā)現(xiàn)，由劍橋大學(xué)天文研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，和總部設(shè)在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的DES項(xiàng)目的天文學(xué)家兩隊(duì)人馬同時(shí)宣布。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的分析結(jié)果都是利用了公開(kāi)的DES第一年的數(shù)據(jù)。

根據(jù)劍橋團(tuán)隊(duì)的結(jié)果，三個(gè)新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)肯定是矮星系，其他的可能是矮星系，也可能是球狀星團(tuán)。球狀星團(tuán)與矮星系有相似的觀測(cè)性質(zhì)，但沒(méi)有暗物質(zhì)與之相伴。

“在這么小的天區(qū)里發(fā)現(xiàn)了這么多伴星系，完全出乎我們意料?！眲虼髮W(xué)文章的第一作者塞爾吉?科博索夫（Sergey Koposov）博士說(shuō)，“我簡(jiǎn)直不能相信自己的眼睛?！?/p>

矮星系是目前觀測(cè)到的最小的星系結(jié)構(gòu)，其中的恒星數(shù)量可能還不到100顆，相當(dāng)暗弱，難以觀測(cè)。相反，銀河系則包含數(shù)千億顆恒星。標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型預(yù)言，在銀河系周?chē)鷳?yīng)當(dāng)存在數(shù)百個(gè)矮星系繞其公轉(zhuǎn)。但由于它們太過(guò)暗淡和微小，要找到它們極其困難，即使是在我們的“后院”也是如此。

“銀河系伴星系中有大量的暗物質(zhì)，這對(duì)天文學(xué)家和物理學(xué)家來(lái)說(shuō)都是一個(gè)重要的結(jié)果?！辟M(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的阿列克斯?德利卡-瓦格納說(shuō)。他是DES的牽頭人之一。

由于矮星系當(dāng)中99%都是暗物質(zhì)而只有1%是可見(jiàn)物質(zhì)，所以它們是檢驗(yàn)現(xiàn)有的暗物質(zhì)模型是否正確的理想對(duì)象。在我們宇宙的總物質(zhì)與能量中，暗物質(zhì)占25%。由于它不可見(jiàn)，我們只能通過(guò)它產(chǎn)生的萬(wàn)有引力知曉其存在。

“矮伴星系是檢驗(yàn)我們暗物質(zhì)理論的最后疆界，”劍橋大學(xué)文章的合作作者瓦西里?拜羅庫(kù)洛夫（Vasily Belokurov）博士說(shuō)，“我們需要找到它們，以確定我們的宇宙學(xué)圖景是否正確。不過(guò)，在麥哲倫云附近一下子發(fā)現(xiàn)這么多伴星系是很讓我們驚訝的，因?yàn)橐郧霸谀习肭蜃龅难蔡彀l(fā)現(xiàn)都很少，我們從沒(méi)想過(guò)能碰到這么大的寶藏。”

在這“寶藏”當(dāng)中，離我們最近的在97000光年遠(yuǎn)處，大約是我們到麥哲倫云距離的一半。由于銀河系巨大的潮汐力，它正被撕裂、解體。這些目標(biāo)中最遠(yuǎn)的、也是最明亮的位于120萬(wàn)光年遠(yuǎn)處。它正處在銀河系引力范圍的邊緣上，將要被銀河系拉進(jìn)來(lái)。而且，根據(jù)劍橋團(tuán)隊(duì)的結(jié)果，它還擁有一個(gè)小型的球狀星團(tuán)。這是目前發(fā)現(xiàn)的最暗弱的擁有球狀星團(tuán)的星系。

“我們不知道該怎樣解釋這些結(jié)果，”合作作者、同樣來(lái)自劍橋大學(xué)的維恩?伊萬(wàn)斯（Wyn Evans）說(shuō)，“或許它們?cè)抢@麥哲倫云運(yùn)行的伴星系，后來(lái)由于大、小麥哲倫云間的相互作用而被拋了出來(lái)。又或許它們和麥哲倫云一起，曾是一個(gè)巨大星系群的一部分，而現(xiàn)在正落入我們的銀河系中?！?/p>

我們?cè)阢y河系附近有了新的發(fā)現(xiàn)！來(lái)源：Flickr/Luis Cal?ada, CC BY-ND

雖然還需要進(jìn)一步的分析以確認(rèn)這些觀測(cè)到的天體是否真的是銀河系的伴星系，不過(guò)研究者指出，它們的大小、較低的表面亮度、以及離銀河系中心相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，都表明它們是完美的候選者。進(jìn)一步的驗(yàn)證正在進(jìn)行中，而對(duì)DES第二年數(shù)據(jù)的收集和整理將為研究提供更多的矮星系候選者。

新發(fā)現(xiàn)的星系還將為科學(xué)家提供更多探索暗物質(zhì)特征和標(biāo)志的機(jī)會(huì)。矮伴星系是由暗物質(zhì)主導(dǎo)的，也就是說(shuō)，它們包含的不可見(jiàn)物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其中的恒星。這些暗物質(zhì)的性質(zhì)如何目前尚不清楚，不過(guò)，組成它們的粒子可能和發(fā)光物質(zhì)一樣，能夠發(fā)生正反物質(zhì)的湮滅，并釋放出伽瑪射線。由于矮星系中沒(méi)有其他的伽瑪射線源，在這里尋找暗物質(zhì)湮滅的痕跡是非常理想的。對(duì)這些天體的進(jìn)一步研究將為尋找暗物質(zhì)帶來(lái)更敏感、更精確的方法，科學(xué)家對(duì)此很有信心。

星系F568-3的光學(xué)圖像（內(nèi)嵌小圖，來(lái)自SDSS）疊加在模擬“銀河”——對(duì)一團(tuán)銀河系質(zhì)量的冷暗物質(zhì)暈進(jìn)行的宇宙學(xué)模擬——的暗物質(zhì)分布圖上。在模擬的分布圖中，用亮度代表暗物質(zhì)的密度?？梢郧宄乜吹嚼碚撃M所預(yù)言的現(xiàn)象：“類銀河系”的星系應(yīng)當(dāng)擁有數(shù)千個(gè)暗物質(zhì)主導(dǎo)的矮伴星系。來(lái)源：http://arxiv.org/abs/1306.0913

幾乎就在這次新發(fā)現(xiàn)宣布的同時(shí)，美國(guó)航空航天局（NASA）費(fèi)米γ射線空間望遠(yuǎn)鏡上搭載的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡（Large Area Telescope，LAT）報(bào)告，并未觀測(cè)到與DES目標(biāo)相關(guān)的明顯伽瑪射線輻射。這一事件向我們展示出，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的新發(fā)現(xiàn)如何能夠立刻轉(zhuǎn)化為對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)的檢驗(yàn)。

“我們用LAT并沒(méi)有探測(cè)到明顯的輻射，但DES所發(fā)現(xiàn)的矮星系對(duì)尋找暗物質(zhì)仍是極為重要的?！盠AT發(fā)言人彼得?米歇爾森（Peter Michelson）說(shuō)，“即使不能確定暗物質(zhì)究竟是什么，我們至少可以通過(guò)矮星系弄清它們的性質(zhì)?！?/p>

“對(duì)于尋找小型伴星系來(lái)說(shuō)，暗能量相機(jī)實(shí)在是完美的設(shè)備，”美國(guó)芝加哥大學(xué)科維理宇宙物理學(xué)研究所的凱斯?伯克托（Keith Bechtol）說(shuō)。伯克托協(xié)助領(lǐng)導(dǎo)了DES中與伽瑪射線實(shí)驗(yàn)相關(guān)的研究?！鞍的芰肯鄼C(jī)有著極為寬廣的視野，能夠迅速而高精度地繪出天空的圖景，使我們能夠看到很暗的恒星。這些成果就表明了它是多么地強(qiáng)大，以及它收集的數(shù)據(jù)在未來(lái)的幾年中將是多么重要。”

對(duì)類銀河系的星系中暗物質(zhì)分布的模擬。左上為標(biāo)準(zhǔn)無(wú)相互作用的（冷）暗物質(zhì)，右上為熱暗物質(zhì)，下面兩幅圖則是假設(shè)暗物質(zhì)與背景的光子有相互作用而做的模擬。在最極端的情況下（右下圖），較小的結(jié)構(gòu)全部消失，也就是說(shuō)，大星系周?chē)鷮⒉淮嬖谌魏涡⌒偷陌樾窍?。?lái)源：Durham University, UK

在過(guò)去的30年里，隨著計(jì)算機(jī)威力的爆炸式增長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)模擬向我們揭示了星系是如何從大爆炸之后毫無(wú)分別的“宇宙湯”中誕生出來(lái)的，使我們對(duì)宇宙的理解有了革命性的變化。不像真實(shí)的宇宙那樣處處蒙著面紗，在“模擬宇宙”中，我們能夠精確地追蹤物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，觀察暗物質(zhì)和氣體如何隨著時(shí)間的流逝聚集到一起，并且形成星系。在模擬宇宙中，我們看到，銀河系周?chē)鷳?yīng)當(dāng)有數(shù)千個(gè)較小的矮星系相伴而行。

如果銀河系周?chē)_實(shí)伴隨著如此眾多的小星系，那就表明我們對(duì)星系演化的認(rèn)識(shí)，其方向基本上正確。不過(guò)，尋找矮星系的麻煩在于，要去搜索的天空范圍太大了。這項(xiàng)工作需要經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)、并且由專門(mén)用于此任務(wù)的望遠(yuǎn)鏡來(lái)完成。在過(guò)去的幾十年里，SDSS孜孜不倦地對(duì)北天的一大部分天區(qū)進(jìn)行了成像觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的遙遠(yuǎn)星系。不過(guò)，SDSS也發(fā)現(xiàn)了很多就在我們“后院”里的矮星系。其中的一些相當(dāng)?shù)么?，包含有十億顆恒星；還有的非常小，只有一千多顆恒星，甚至難以確定它究竟是星系，還是只是偶然跑到星系外面來(lái)的一群恒星。

圖中是暗物質(zhì)在一個(gè)類銀河系星系的暈中分布的兩個(gè)模型，以中間的白線隔開(kāi)。顏色代表了暗物質(zhì)的密度，紅色表示密度高，藍(lán)色表示密度低。左邊是對(duì)無(wú)相互作用的冷暗物質(zhì)的模擬，可以看到，它產(chǎn)生出大量較小的伴星系。右邊顯示的則是，若暗物質(zhì)與其他粒子發(fā)生相互作用，形成的伴星系數(shù)量就會(huì)較少。來(lái)源：Durham University, UK

那么，我們找到計(jì)算機(jī)模擬所預(yù)言的那些為數(shù)眾多的矮星系了嗎？并沒(méi)有！SDSS并沒(méi)有找到數(shù)以千計(jì)的矮星系，事實(shí)上，它找到的目標(biāo)屈指可數(shù)。也就是說(shuō)，理論預(yù)言的大部分矮星系“丟失”了。這個(gè)“丟失的伴星系”問(wèn)題對(duì)我們理解星系的演化至關(guān)重要。然而，要明白這問(wèn)題究竟有多么嚴(yán)重，我們必須知道矮星系到底丟失了多少。雖然SDSS做出了巨大的貢獻(xiàn)，但是它的巡天范圍只限于北天。而要完整地回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要完整的數(shù)據(jù)。因此，我們要對(duì)南天進(jìn)行巡天。

目前，從事南天巡天的隊(duì)伍正在穩(wěn)步增長(zhǎng)，包括位于智利的可見(jiàn)光—紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（VISTA）和位于澳大利亞的“星圖家”（SkyMapper）項(xiàng)目。不過(guò)遙遙領(lǐng)先的還是DES——它的關(guān)注重點(diǎn)根本不在我們的本地宇宙。DES關(guān)注的是由于暗能量的存在，我們對(duì)遙遠(yuǎn)宇宙的觀測(cè)會(huì)發(fā)生哪些微妙的變化。由于眼界一直延伸到遠(yuǎn)方，它自然也能捕捉到那些在遠(yuǎn)方與我們本地宇宙之間的東西，因此，它的數(shù)據(jù)對(duì)各領(lǐng)域的科學(xué)家來(lái)說(shuō)都不啻一座金礦。這次新發(fā)現(xiàn)的矮星系并沒(méi)能解決“丟失的伴星系”問(wèn)題，但為我們提供了連接觀測(cè)宇宙與理論模型的線索。

這些矮星系如此密集地分布在麥哲倫云周?chē)?，或許意味著它們正在一同落入我們的銀河系。如果它們真的是同源的一個(gè)小集團(tuán)，我們或許能從中窺見(jiàn)星系演化的真相。而且我們不能忘記，這些新星系還只是在DES第一年的數(shù)據(jù)中找到的，在未來(lái)幾年將有更多的數(shù)據(jù)公開(kāi)出來(lái)?？茖W(xué)家們期待，在整個(gè)DES的巡天范圍中，這樣的伴星系的數(shù)目將會(huì)多達(dá)30個(gè)左右。

（責(zé)任編輯 馮）