□ 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）

北京大學科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負責人。

提起宇宙學，我們的印象往往是這樣的：用最大的望遠鏡，看到宇宙最深遠的角落，千方百計地收集來自超新星爆發(fā)、或者宇宙中誕生的第一批星系的那一點點微弱的光。但是對有的宇宙學家來說，他們關注的重點卻在“本地宇宙”，也就是我們附近的宇宙：他們想知道，我們能否通過觀察自己的周圍，了解我們銀河系演化的情況。我們對本地宇宙了解得如此少，實在令人驚訝——因為我們以往對這廣袤天空的檢視太過粗略了，尚不足以揭示出其中的秘密。不過，由新望遠鏡開始的新巡天正在開啟天空之門，它們所揭示的秘密令人驚訝。

2015年3月，全世界的宇宙學家都興奮起來了。歐洲和美國的科學家各自獨立地宣布了他們的新發(fā)現(xiàn)：有8個、甚至9個矮伴星系在繞銀河系運行。伴星系是繞大星系公轉的較小的天體結構，這次的發(fā)現(xiàn)是有史以來最多的一次。矮星系是已知最小的星系，在它們當中或許潛藏著幫助我們理解大型星系形成過程的鑰匙。這次的新發(fā)現(xiàn)來自“暗能量巡天”（Dark Energy Survey，簡稱DES）項目最新公開的圖像數(shù)據(jù)，它或許還能幫助我們解開暗物質背后的謎團——暗物質是不能發(fā)光的物質，現(xiàn)在一般認為，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“甚大望遠鏡”（VLT）的輔助鏡。圖中只顯示了9個新發(fā)現(xiàn)目標當中的6個，其余的3個在視野之外。內嵌的小圖是其中3個最顯眼的目標（波江座1，時鐘座1，繪架座1），視野13×13角分（相當于暗能量照相機的3000×3000像素）。來源：V. Belokurov, S. Koposov (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK)， Y. Beletsky (Carnegie Observatories, USA)

科學家之前一共發(fā)現(xiàn)了二十多個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；在過去的五年里，沒有任何新的發(fā)現(xiàn)。因此，這次的發(fā)現(xiàn)是2010年以來的第一次。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中最大、也是我們了解得最多的兩個矮星系。這次新發(fā)現(xiàn)的目標，亮度只及銀河系的十億分之一，質量只及百萬分之一。它們是在科學家檢查DES第一年獲得的數(shù)據(jù)時發(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。內嵌小圖是發(fā)現(xiàn)的最大（波江座2）與最?。ㄓ〉诎沧?）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）。來源：V. Belokurov, S. Koposov (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK)， M. Putman (Columbia University, USA)

DES是一個五年的計劃，力圖以前所未有的精度對南天大面積的天區(qū)進行照相。其基本設備是擁有5.7億像素的“暗能量相機”。這是世界上最強大的數(shù)碼相機，能夠看到距地球80億光年遠的星系。它在美國能源部的費米國家加速實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory）建造和調試，現(xiàn)在安裝于智利安第斯山脈托洛洛山美洲際天文臺4米口徑布蘭科望遠鏡上。暗能量是占宇宙中總物質與能量70%的神秘力量，這個五年的巡天計劃旨在尋找與暗能量的性質有關的線索?？茖W家相信，暗能量會是理解宇宙為何加速膨脹的鑰匙。

通過這兩張圖像你就能明白，要在暗能量相機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找到的一個目標DES J0335.6-5403拍攝出來的效果。DES的科學家們說，它是新發(fā)現(xiàn)的候選者里最有可能是星系的一個。它距我們約100000光年遠，只含有很少量的恒星——在暗能量相機的數(shù)據(jù)中，大約能找到300顆。第二張圖像只顯示了看來是屬于這一目標的恒星，而把其他可見物質發(fā)的光黑化處理了。矮伴星系太過暗弱，必須要像暗能量相機這樣極其敏感的設備才能發(fā)現(xiàn)它們。而且，要確定這些新發(fā)現(xiàn)的目標是否真的是星系，還需要進一步的分析。來源：Fermilab/Dark Energy Survey

這項有關矮星系的新發(fā)現(xiàn)，由劍橋大學天文研究所的一個團隊，和總部設在費米實驗室的DES項目的天文學家兩隊人馬同時宣布。兩個團隊的分析結果都是利用了公開的DES第一年的數(shù)據(jù)。

根據(jù)劍橋團隊的結果，三個新發(fā)現(xiàn)的目標肯定是矮星系，其他的可能是矮星系，也可能是球狀星團。球狀星團與矮星系有相似的觀測性質，但沒有暗物質與之相伴。

“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文章的第一作者塞爾吉?科博索夫（Sergey Koposov）博士說，“我簡直不能相信自己的眼睛?！?/p>

矮星系是目前觀測到的最小的星系結構，其中的恒星數(shù)量可能還不到100顆，相當暗弱，難以觀測。相反，銀河系則包含數(shù)千億顆恒星。標準宇宙學模型預言，在銀河系周圍應當存在數(shù)百個矮星系繞其公轉。但由于它們太過暗淡和微小，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，這對天文學家和物理學家來說都是一個重要的結果?！辟M米實驗室的阿列克斯?德利卡-瓦格納說。他是DES的牽頭人之一。

由于矮星系當中99%都是暗物質而只有1%是可見物質，所以它們是檢驗現(xiàn)有的暗物質模型是否正確的理想對象。在我們宇宙的總物質與能量中，暗物質占25%。由于它不可見，我們只能通過它產生的萬有引力知曉其存在。

“矮伴星系是檢驗我們暗物質理論的最后疆界，”劍橋大學文章的合作作者瓦西里?拜羅庫洛夫（Vasily Belokurov）博士說，“我們需要找到它們，以確定我們的宇宙學圖景是否正確。不過，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，因為以前在南半球做的巡天發(fā)現(xiàn)都很少，我們從沒想過能碰到這么大的寶藏?！?/p>

在這“寶藏”當中，離我們最近的在97000光年遠處，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。這些目標中最遠的、也是最明亮的位于120萬光年遠處。它正處在銀河系引力范圍的邊緣上，將要被銀河系拉進來。而且，根據(jù)劍橋團隊的結果，它還擁有一個小型的球狀星團。這是目前發(fā)現(xiàn)的最暗弱的擁有球狀星團的星系。

“我們不知道該怎樣解釋這些結果，”合作作者、同樣來自劍橋大學的維恩?伊萬斯（Wyn Evans）說，“或許它們曾是繞麥哲倫云運行的伴星系，后來由于大、小麥哲倫云間的相互作用而被拋了出來。又或許它們和麥哲倫云一起，曾是一個巨大星系群的一部分，而現(xiàn)在正落入我們的銀河系中?！?/p>

我們在銀河系附近有了新的發(fā)現(xiàn)！來源：Flickr/Luis Cal?ada, CC BY-ND

雖然還需要進一步的分析以確認這些觀測到的天體是否真的是銀河系的伴星系，不過研究者指出，它們的大小、較低的表面亮度、以及離銀河系中心相當遠的距離，都表明它們是完美的候選者。進一步的驗證正在進行中，而對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)的星系還將為科學家提供更多探索暗物質特征和標志的機會。矮伴星系是由暗物質主導的，也就是說，它們包含的不可見物質遠遠多于其中的恒星。這些暗物質的性質如何目前尚不清楚，不過，組成它們的粒子可能和發(fā)光物質一樣，能夠發(fā)生正反物質的湮滅，并釋放出伽瑪射線。由于矮星系中沒有其他的伽瑪射線源，在這里尋找暗物質湮滅的痕跡是非常理想的。對這些天體的進一步研究將為尋找暗物質帶來更敏感、更精確的方法，科學家對此很有信心。

星系F568-3的光學圖像（內嵌小圖，來自SDSS）疊加在模擬“銀河”——對一團銀河系質量的冷暗物質暈進行的宇宙學模擬——的暗物質分布圖上。在模擬的分布圖中，用亮度代表暗物質的密度?？梢郧宄乜吹嚼碚撃M所預言的現(xiàn)象：“類銀河系”的星系應當擁有數(shù)千個暗物質主導的矮伴星系。來源：http://arxiv.org/abs/1306.0913

幾乎就在這次新發(fā)現(xiàn)宣布的同時，美國航空航天局（NASA）費米γ射線空間望遠鏡上搭載的大視場望遠鏡（Large Area Telescope，LAT）報告，并未觀測到與DES目標相關的明顯伽瑪射線輻射。這一事件向我們展示出，光學望遠鏡的新發(fā)現(xiàn)如何能夠立刻轉化為對基礎物理學的檢驗。

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

“對于尋找小型伴星系來說，暗能量相機實在是完美的設備，”美國芝加哥大學科維理宇宙物理學研究所的凱斯?伯克托（Keith Bechtol）說。伯克托協(xié)助領導了DES中與伽瑪射線實驗相關的研究?！鞍的芰肯鄼C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大，以及它收集的數(shù)據(jù)在未來的幾年中將是多么重要?！?/p>

對類銀河系的星系中暗物質分布的模擬。左上為標準無相互作用的（冷）暗物質，右上為熱暗物質，下面兩幅圖則是假設暗物質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），較小的結構全部消失，也就是說，大星系周圍將不存在任何小型的伴星系。來源：Durham University, UK

在過去的30年里，隨著計算機威力的爆炸式增長，計算機模擬向我們揭示了星系是如何從大爆炸之后毫無分別的“宇宙湯”中誕生出來的，使我們對宇宙的理解有了革命性的變化。不像真實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的運動，觀察暗物質和氣體如何隨著時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，銀河系周圍應當有數(shù)千個較小的矮星系相伴而行。

如果銀河系周圍確實伴隨著如此眾多的小星系，那就表明我們對星系演化的認識，其方向基本上正確。不過，尋找矮星系的麻煩在于，要去搜索的天空范圍太大了。這項工作需要經(jīng)過特殊設計、并且由專門用于此任務的望遠鏡來完成。在過去的幾十年里，SDSS孜孜不倦地對北天的一大部分天區(qū)進行了成像觀測，發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百萬計的遙遠星系。不過，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?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的一群恒星。

圖中是暗物質在一個類銀河系星系的暈中分布的兩個模型，以中間的白線隔開。顏色代表了暗物質的密度，紅色表示密度高，藍色表示密度低。左邊是對無相互作用的冷暗物質的模擬，可以看到，它產生出大量較小的伴星系。右邊顯示的則是，若暗物質與其他粒子發(fā)生相互作用，形成的伴星系數(shù)量就會較少。來源：Durham University, UK

那么，我們找到計算機模擬所預言的那些為數(shù)眾多的矮星系了嗎？并沒有！SDSS并沒有找到數(shù)以千計的矮星系，事實上，它找到的目標屈指可數(shù)。也就是說，理論預言的大部分矮星系“丟失”了。這個“丟失的伴星系”問題對我們理解星系的演化至關重要。然而，要明白這問題究竟有多么嚴重，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，但是它的巡天范圍只限于北天。而要完整地回答這個問題，我們需要完整的數(shù)據(jù)。因此，我們要對南天進行巡天。

目前，從事南天巡天的隊伍正在穩(wěn)步增長，包括位于智利的可見光—紅外巡天望遠鏡（VISTA）和位于澳大利亞的“星圖家”（SkyMapper）項目。不過遙遙領先的還是DES——它的關注重點根本不在我們的本地宇宙。DES關注的是由于暗能量的存在，我們對遙遠宇宙的觀測會發(fā)生哪些微妙的變化。由于眼界一直延伸到遠方，它自然也能捕捉到那些在遠方與我們本地宇宙之間的東西，因此，它的數(shù)據(jù)對各領域的科學家來說都不啻一座金礦。這次新發(fā)現(xiàn)的矮星系并沒能解決“丟失的伴星系”問題，但為我們提供了連接觀測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圍，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小集團，我們或許能從中窺見星系演化的真相。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，在未來幾年將有更多的數(shù)據(jù)公開出來。科學家們期待，在整個DES的巡天范圍中，這樣的伴星系的數(shù)目將會多達30個左右。

（責任編輯 馮）