我们的银河系如何长大?

释放双眼,带上耳机,听听看~!
用蜡烛加热一个气球,它会膨胀炸开。同样地,当早期宇宙中的星系里有恒星爆炸的时候,也会产生高温气体的猛烈外流。
Eugenie Samuel Reich 文 Shea 编译

用蜡烛加热一个气球,它会膨胀炸开。同样地,当早期宇宙中的星系里有恒星爆炸的时候,也会产生高温气体的猛烈外流。

星系做为宇宙这一单调乐章中跳动的明亮音符承载着恒星乃至生命。它们有的大,有的小,有的是通明的恒星生产厂,有的则黯淡宁静,有的犹如螺旋的车轮,有的则似无规则的团块。是什么造就了星系世界的千差万别?只要天文学家们能在实验室里检验他们的理论,兴许就能找到对这个问题的解答。

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[图片说明]:旋涡星系M104,又名草帽星系。版权:NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA。

随着时代的发展,天文学家已经越来越具备这样的能力。当然不是通过蜡烛和气球的实验,而是使用具有非凡计算能力的超级计算机。综合日渐增多的对早期宇宙的观测数据,大型的计算机模拟正在描绘出一幅整个宇宙的完整图画。这幅画的骨架则是由看不见的暗物质和低温气体所组成的。

现在的数值模拟和观测正接二连三地显示出它的重要性。宇宙之网似乎并不是一个框架这么简单。按照最新的观点,宇宙之网中的纤维结构正是为星系成长提供所需气体的“脐带”。

宇宙之网的故事既饶有兴趣又曲折离奇。1978年英国剑桥大学的天文学家马丁・里斯(Martin Rees)和西蒙・怀特(Simon White)提出了一个与以往大相径庭的星系形成理论,被称为“等级式模型”。作为这个模型的副产品,上个世纪80年代中期宇宙之网的概念应运而生。

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[图片说明]:旋涡星系M31,又称仙女星系。是距离银河系最近的大型星系,也是肉眼所能看见的最遥远星系。版权: Tony Hallas。

在等级式模型中,一切都始于大爆炸之后宇宙的超高速膨胀――暴涨。暴涨几乎“抹平”了整个宇宙,但并不是全部。物质分布的微小变化会在某些地方形成高密度区,由暗物质组成的“晕”在其中会快速合并。随着时间的流逝,它们每一个都会演变成引力“陷阱”,周围的气体――主要是氢――会快速地落入其中。在这一过程进行的同时,被束缚在“陷阱”中的气体会被快速加热,并且。

此时,这些物质团块――未来星系的种子――就像是几乎空无一物的宇宙中的岛屿,同时也是正在发育中的宇宙之网的结点。更为重要的是,它们还会运动。在相互的引力吸引下,它们开始碰撞、并合,由此会导致骤发性的恒星形成。随后恒星形成会暂时平息,直到下一次并合事件的发生,形成更大的团块。我们今天所看到的不同星系正是这一断断续续“施工”的结果。

这一图像乍看之下非常漂亮。它和对早期宇宙的观测符合得很好。就连对宇宙微波背景的精细测量也证实了早期宇宙物质分布确实存在微小涨落。在引力的作用下,等级式模型为这些微小的密度涨落成长为我们今天所看到的星系提供了一条坦途。

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[图片说明]:旋涡星系M51,距离地球3,500万光年。版权:NASA/The Hubble Heritage Team/STScI/AURA。

但是,这一图像中的“裂痕”也随之出现。2006年,当天文学家莱因哈特・甘泽尔(Reinhard Genzel)及其同事发表他们使用欧洲南方天文台甚大望远镜对一些最早的产星星系的观测结果的时候,等级式模型最大的问题之一出现了。他们使用了一种被称为集成视场光谱仪的新技术,由此可以分析出来自天空中比满月小20,000倍的区域所发出辐射的光谱,进而可以揭示出它们是在朝向还是远离地球运动。将这一技术应用于遥远的星系,就能告诉我们它们的内部动力学情况。“这一技术确实带来了巨大的突破,”甘泽尔说。

出奇的平静

甘泽尔他们发现了一个非常奇怪的星系。这个星系距离地球非常遥远,现在我们所接收到的它的辐射是在宇宙诞生之后刚刚30亿年的时候所发出的。这个星系非常明亮,它每年所形成的恒星总质量可以达到100个太阳质量。相比之下,。

在等级式模型中,其核心结论就是星系间的并合会引发恒星形成,但是观测并没发现任何碰撞的迹象。而且,这个星系还具有一个转动的星系盘,也并非是由星系并合而导致的不规则形态。

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[图片说明]:相互作用的两个旋涡星系NGC 6050和IC 1179,距离地球4,500万光年。版权:NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA/Hubble Collaboration/K. Noll。

出现反常的还不仅仅是这一家。从2006年起,甘泽尔小组已经拍摄了几十个看似平静的早期星系的照片,但其中正有新的恒星在大规模形成。至少对于这些星系而言,等级式并合可以肯定不是它们整个故事的全部。那么它们又是如何成长起来的呢?

可能的情况并不是很多。对宇宙微波背景的观测为早期宇宙中的密度涨落提供了一幅清晰的图像,这是任何一个模型都不能忽视的。暗物质晕的生长、并合看起来也是不容质疑的。神秘的暗物质是保持星系稳定、避免因转动而瓦解的重要幕后“黑”手。

唯一留有回旋余地的就是和恒星形成有关的气体。关于气体的具体理论从来没有向暗物质晕并合那样是建立在牢靠的基础之上的。

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[图片说明]:旋涡星系M64,它在10亿年之前刚刚吞噬了一个小星系。版权:NASA/Hubble Heritage Team/AURA/STScI。

2006年初,两个以色列科学家就沿着这条线使用超级计算机模拟来检验不同的理论。他们认为,暗物质晕会不断地吸积气体。他们得到的初步结果很吸引人。连续不断落向暗物质晕的低温气体流会被压缩并且被有效地输送到正在发育的星系的中心,在那里它们会形成新的恒星。这说明对于恒星形成而言,并合并不是一个充分条件。

平稳操作

那么这些气体又来自何方?2005年来自美国哈佛-史密松天体物理中心的一个天文学家小组希望通过数值模拟能寻找到对这个问题的解答。他们用大约200万个“粒子”来代表独立演化的气体和由暗物质组成的1,000个早期星系。令人吃惊的是,他们发现低温气体流会自然而然的形成,联接星系和与之毗邻的巨洞。如果星系是宇宙之网的结点,那么这些气体流就是组成它的线绳――通过它们周围的气体不断地哺育星系,使得其中的恒星可以持续、稳定地形成。

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[图片说明]:透镜状星系NGC 5866。版权:NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA。

2009年1月,天文学家们又往前进了一步。他们在超级计算机中使用10亿个气体粒子和40亿个暗物质粒子模拟了宇宙之网中一个有三个分叉的结点。他们发现,每年差不多有相当于200个太阳质量的低温气体会流入该结点,这足以造成在年轻星系中所观测到的恒星形成率。

低温气体流的秘诀就在于它们能平稳地输入气体。由于没有了像并合这么猛烈的过程,因此只有极少量的气体和能量会被浪费掉,剩下的大部分则会被用于恒星形成。所以平稳的操作是在宇宙早期形成匀称的盘状星系的关键。为了把星系成长的电影再往前推一格,2009年4月法国和美国天文学家一起模拟了有低温气体注入的星系盘中引力不稳定性所产生的物质团块是如何演化的,并且发现星系最终会形成类似我们银河系这样的成年星系所具有的旋臂特征。

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[图片说明]:棒旋星系NGC 2787。版权:HST/STScI/AURA。

虽然这一新的机制取得了重要的进展,但是它并不能完全颠覆并合理论。暗物质团块的并合不论是对于在一开始形成暗物质晕还是对于比银河系更大的星系的形成都被认为是非常重要的。在所有的星系中有超过10%的是内部没有旋臂结构的大质量椭圆星系。这些星系可能就是通过小得多的由低温气体流吸积气体所形成的小型星系并合而来的。

由此,宇宙之网不再是并合理论的一个反例。沿着宇宙之网纤维结构注入星系的物质有时是一股“涓涓细流”,可以滋养较小的盘状星系,但有时则会含有较大的团块,这一物质洪流的冲击倒更类似于并合。

按照理论模型,对低温气体的吸积一直会延续到今天。在早期宇宙中,宇宙之网中的“线绳”会在10,000光年的跨度上哺育星系,这一范围比现在的银河系还要小上10倍。但是随着宇宙膨胀,这些脐带就会变得越来越宽,同时也会变得越来越稀。这就会造成低温吸积的效率比以前大大降低,也减小了成年星系中的恒星形成率。现如今的低温气体流早已失去了昔日的雄风,变成了从各个方向落向星系的毛毛细雨。

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[图片说明]:位于室女星系团中心的椭圆形系M87。版权:Robert Gendler。

这也正是为什么我们从来没有在银河系的周围找到有关这些低温气体流直接证据的原因。此外,低温吸积过程会产生莱曼-α紫外辐射,它们是由于气体在掉入星系的过程中被加热而造成的。但不幸的是,这些辐射几乎完全会被星系中的尘埃以及地球大气所吸收,这使得即便从地球上也不可能看到非常靠近我们的低温气体流。

为此,甘泽尔对此提出了警告。“我们必须十分小心,而不是随大流,”他说,“毕竟还没有一个人真正观测到了这些低温气体流。”

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[图片说明]:椭圆星系NGC 1316,它被认为是由不久前的两个星系碰撞而形成的。版权:P. Goudfrooij/STScI/Hubble Heritage Team/AURA/ESA/NASA。

有意思的是,遥远星系中的低温气体流也许能较为容易地被观测到。由于宇宙膨胀,来自遥远天体的光会向光谱的红段移动,这就意味着来自早期宇宙中星系的莱曼-α紫外辐射会红移到不受地球大气影响的可见光波段。

美国哈佛-史密松天体物理中心的天文学家认为,其实他们在1998年就已经观测到了这一辐射。当时他们在宇宙年龄仅有20亿年的地方发现了两团巨大的会发射出莱曼-α辐射的气体。这些气体横跨两个年轻的星系,从它们外部的暗物质晕一直延伸到它们内部明亮的星系盘。

此后,在许多其他的早期星系中也发现了类似的气团。这些气体到底是什么,甚至于这些气体是在向星系运动还是从星系中逃逸出来,仍然是个谜。有人认为,它们正是宇宙之网伸向星系的触手。当然,也有人对此表示反对。一些观测到的气团就位于会发射X射线和紫外线的类星体周围,因此类星体可能是它们的源头,而非宇宙之网。

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[图片说明]:不规则星系NGC 1427A。宇宙中大约有3%的不规则星系,它们特殊的形状大多是其他星系相互作用的产物。版权:NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA。

较晚成形

将年轻产星星系的特写照片和计算机模拟的结果进行比较是平息这一争论,同时也会宇宙之网的新作用打下更坚实基础的绝佳途径。最近天文学家们已经找到了15个和银河系质量相仿的近距星系,但这些星系看上去似乎在30~40亿年前才开始有恒星形成。这也许预示着,所有星系都在宇宙的早期就开始形成恒星的这一标准观点可能有待商榷。

如果所有的星系都是由并合而形成的,那么在这些星系中应该会留下猛烈碰撞的证据。另一方面,如果星系形成是由低温气体流所驱动的,那么这些星系就应该是盘状的并且会通过宇宙之网中的“线绳”和大量的原初氢气相连。对于观测到的这15个星系,它们可能正好处于宇宙之网相对较为稀松的巨洞之中,这就意味着它们的成形会比较晚。

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[图片说明]:超级计算机模拟出的宇宙之网,在其中可以清晰地看到其中生长出的细丝和明亮的结点。版权:BHCOSMO。

但是目前的观测还无法分辨这些星系内部的动力学情况。不过现在既然已经知道这些星系的所在了,那么将来诸如哈勃空间望远镜这样的强力观测设备必定会对它们进行详尽的观测。

对于绝大多数的天文学家来说,有一点是已经清楚了的,那就是星系形成的整个图像需要修改。在过去的4~5年里它已经发生了显著的变化,现在我们看到的所有星系都处于哺育它们的丝网状结构之中。在宇宙数值模拟的支持下,宇宙之网正在变得越来越真切、越来越重要。

(本文已刊载于《天文爱好者》2010年第2期)

出自:New Scientist
发布日期:2009-07-17

内容来自 火流星

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