張唯誠(chéng)

星系團(tuán)中的“隱士”

星系是恒星龐大的“社區(qū)”，是億萬(wàn)恒星的家，但它們并非都閃爍著星光，有些是暗淡無(wú)光的。和我們熟悉的明亮星系不同，這些暗淡的星系沒(méi)有明亮的核心，沒(méi)有環(huán)繞核心的由恒星和氣體組成的宏偉旋臂，也不是散發(fā)著輻射的密集星群。它們的星光微弱異常，僅僅照亮一些模糊的團(tuán)塊，是星系團(tuán)中謙遜的“隱士”。加拿大多倫多大學(xué)的天體物理學(xué)家羅伯特·亞伯拉罕說(shuō)：“假如你抓住銀河系，將其中99%的恒星扔掉，那你就得到了一個(gè)黑暗星系?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/10/17/fdts201710fdts20171015-1-l.jpg" style="">

人們目前并不清楚黑暗星系是怎么來(lái)的。它們可能是一類(lèi)全新的星系，也可能是普通星系的一種異端。不管何種情況，它們好像無(wú)處不在。天文學(xué)家首次報(bào)道它們是2015年的早些時(shí)候，之后不久，人們就在距我們不遠(yuǎn)的星系團(tuán)中發(fā)現(xiàn)了更多。亞伯拉罕說(shuō)：“我們的發(fā)現(xiàn)從一無(wú)所獲迅速越過(guò)了1000，這是非同尋常的。”

新發(fā)現(xiàn)的黑暗星系給人們帶來(lái)了很多疑惑。有些星系和銀河系差不多大，按理說(shuō)制造很多恒星是沒(méi)有問(wèn)題的，它們應(yīng)該很明亮，但事實(shí)上暗淡無(wú)光。迄今，對(duì)于這種星系，天文學(xué)家還未弄清楚它們的質(zhì)量，也許它們是一些“失敗”的星系，即使它們的質(zhì)量和銀河系一樣，一些尚不明了的因素也可能阻礙它們形成恒星的“居住地”。還有一種可能是，盡管它們看上去和銀河系一樣大，卻既“輕”又“薄”，如果它們結(jié)合得不夠緊密，便無(wú)法獲得那種極端的熱度以形成足夠多的恒星。

不管怎么說(shuō)，黑暗星系中的恒星非常少，它們應(yīng)該有很多我們看不見(jiàn)的物質(zhì)，否則鄰近星系的引力就會(huì)將它們撕裂。

“蜻蜓”大顯身手

為了發(fā)現(xiàn)黑暗星系，人們使用了新型的望遠(yuǎn)鏡。普通的望遠(yuǎn)鏡通常是越大越好，一個(gè)很大的反射鏡或者透鏡能發(fā)現(xiàn)足夠微弱的光斑。然而，即使是最大的望遠(yuǎn)鏡也有局限，因?yàn)闊o(wú)法濾掉不需要的光。望遠(yuǎn)鏡上的每個(gè)表面都產(chǎn)生光，它們來(lái)自各個(gè)方向并反射到影像上。這種散射光是一些暗淡的光點(diǎn)，它們幽靈一般地掩蓋掉一些原本就模糊的細(xì)節(jié)，有些甚至看起來(lái)很像模糊的星系。龐大的黑暗星系就和這種光點(diǎn)很相似，這也正是人們一直沒(méi)有注意到它們的原因，直到人們使用一種新型的望遠(yuǎn)鏡掃描天空。

人們把這種望遠(yuǎn)鏡稱(chēng)為“蜻蜓”，它獨(dú)特的設(shè)計(jì)能對(duì)付那些幽靈般的光點(diǎn)。和多數(shù)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不同，這種望遠(yuǎn)鏡像一個(gè)蜂巢。2013年，這個(gè)裝置只有三個(gè)光學(xué)長(zhǎng)焦鏡頭，每個(gè)都安裝在照相機(jī)上。然而，這個(gè)裝置一直在“成長(zhǎng)”，現(xiàn)在，它已是擁有48個(gè)透鏡和照相機(jī)的組合了。它們可以同時(shí)觀測(cè)天空的同一個(gè)部分，透鏡上工藝精湛的抗反射涂料把散射光控制到最小。假如同一種斑點(diǎn)顯示在每一個(gè)照相機(jī)拍攝的影像上，那就可以肯定它是真實(shí)的，也就是說(shuō)，它不是散射光造成的虛假影像。

由于設(shè)計(jì)這個(gè)裝置的靈感部分來(lái)自蜻蜓的復(fù)眼，人們便叫它“蜻蜓”?！斑@是一個(gè)非常聰明的想法，真是妙極了?！泵绹?guó)石溪大學(xué)的天文學(xué)家幸田仁說(shuō)，“‘蜻蜓使我們意識(shí)到，我們擁有了一個(gè)發(fā)現(xiàn)一些全新的星系的機(jī)會(huì)，它們是此前從未被人知道的?！?h3>后發(fā)座星系團(tuán)

2014年春，科學(xué)家將“蜻蜓”指向了后發(fā)座星系團(tuán)，這是一個(gè)被充分研究過(guò)的星系團(tuán)，擁有幾千個(gè)星系，位于大約3.4億光年之外。后發(fā)座星系團(tuán)相當(dāng)緊湊，其中眾多的星系為天文學(xué)家提供了探索宇宙奧秘的理想場(chǎng)所。人們?cè)谀抢镅芯窟b遠(yuǎn)的恒星和其他星際物質(zhì)，這有助于人們獲得星系合并后天體演化的一些證據(jù)。

不久，在后發(fā)座星系團(tuán)的邊緣，人們發(fā)現(xiàn)了不少令人驚訝的全新的星系。亞伯拉罕說(shuō)：“人們研究后發(fā)座已經(jīng)有80年的歷史了，但想不到還能發(fā)現(xiàn)全新的東西?！笔堑模鞘且恍┖诎敌窍?，散布在星系團(tuán)中，共有47個(gè)，有些和我們的銀河系一般大。

令人不解的是，如此大的星系卻沒(méi)有制造出眾多的恒星；更令人驚訝的是，這種星系竟能“生活”在一大群星系世界的“巨無(wú)霸”中。

在一個(gè)星系中，星系的引力是將星系中所有恒星聚在一起的力量，來(lái)自鄰近星系的引力則總是企圖將星系拆分開(kāi)。因此，一個(gè)星系要得到足夠大的引力使自己不至于解體，它就必須擁有足夠的質(zhì)量，這種質(zhì)量的存在是依賴(lài)恒星、氣體以及其他星際物質(zhì)的存在而實(shí)現(xiàn)的。

在宇宙中的某些地方，例如后發(fā)座星系團(tuán)，一個(gè)星系必須擁有很大的質(zhì)量或者密度。然而，黑暗星系中的恒星太少了，假如這種星系占有的空間太大，那么它們應(yīng)該在很早以前就被鄰近星系的引力摧毀了。因此，天文學(xué)家認(rèn)為，這些星系可能是新近才進(jìn)入后發(fā)座星系團(tuán)的。另外一種可能是，它們已發(fā)展得非常強(qiáng)壯了。

發(fā)現(xiàn)了更多

然而，目前的研究顯示，后發(fā)座星系團(tuán)中的黑暗星系好像已經(jīng)在那里存在了幾十億年，它們出現(xiàn)在星系團(tuán)中的廣闊區(qū)域，這表明它們經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)時(shí)間的流散并逐漸融合在了這個(gè)古老的星系團(tuán)中。而且，在黑暗星系中存在的僅有的恒星大多是紅色和低溫的，這種低能量的光線(xiàn)表明它們很古老。因此，對(duì)這些星系來(lái)說(shuō)，要想存在這么長(zhǎng)的時(shí)間，就必須擁有某種隱藏的力量，這個(gè)力量很可能就是大量暗物質(zhì)。

其實(shí)，所有星系都擁有很多暗物質(zhì)。平均來(lái)說(shuō)，宇宙中的暗物質(zhì)大約占了所有物質(zhì)的85%。然而，根據(jù)美國(guó)耶魯大學(xué)的天文學(xué)家皮特·馮·多庫(kù)姆及其同事的估計(jì)，在后發(fā)座星系團(tuán)中，黑暗星系要想擁有足夠的引力保持其完整，它們中心區(qū)域的暗物質(zhì)必須占所有物質(zhì)的98%。

由于發(fā)現(xiàn)黑暗星系的技術(shù)有了突破，科學(xué)家現(xiàn)在更熱衷于搜尋這種奇特的天體了，他們開(kāi)始仔細(xì)研究后發(fā)座星系團(tuán)和其他星系團(tuán)的影像。黑暗星系非常暗淡，很容易隱藏在星系團(tuán)的背景光中，有時(shí)又會(huì)被當(dāng)作望遠(yuǎn)鏡的散射光。然而，一旦人們知道了如何去發(fā)現(xiàn)它，就不會(huì)再失望了。人們這時(shí)才知道，此前發(fā)現(xiàn)的47個(gè)黑暗星系其實(shí)只是冰山的一角。

2015年6月，美國(guó)石溪大學(xué)斯托尼布魯克分校幸田仁的研究小組在由昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像中很容易地找到了此前發(fā)現(xiàn)的47個(gè)黑暗星系，這證明它們是真實(shí)存在的。更令人驚喜的是，除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)了更多黑暗星系。

科學(xué)家一共找到了854個(gè)黑暗星系，其中的332個(gè)有銀河系那么大。進(jìn)一步的估計(jì)表明，在后發(fā)座星系團(tuán)中，各種不同大小的黑暗星系超過(guò)1000個(gè)。假如這個(gè)估計(jì)是正確的，那么這個(gè)數(shù)量就和已知的明亮星系不相上下了。

后發(fā)座星系團(tuán)之外

然而，后發(fā)座星系團(tuán)并不是唯一隱藏著黑暗星系的星系團(tuán)，人們還在室女座星系團(tuán)中發(fā)現(xiàn)了三個(gè)黑暗星系。2015年8月，美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的天文學(xué)家克里斯托夫·米霍斯及其同事報(bào)道了這個(gè)發(fā)現(xiàn)。這些星系位于5400萬(wàn)光年之外。

2016年6月，法國(guó)薩克雷核研究中心的天體物理學(xué)家雷可·范德伯格及其同事報(bào)道了另一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)。他們使用位于夏威夷莫納克亞山上的一架望遠(yuǎn)鏡去估算幾個(gè)星系團(tuán)的質(zhì)量。他們共觀測(cè)了8個(gè)星系團(tuán)（這些星系團(tuán)處在10億光年之內(nèi)），結(jié)果意外發(fā)現(xiàn)了大約800多個(gè)超稀薄的黑暗星系。西班牙天體物理學(xué)家邁克爾·比斯利說(shuō)：“當(dāng)我們使用了更大的望遠(yuǎn)鏡后，我們發(fā)現(xiàn)了更多的黑暗星系。我們不知道究竟有多少，但我們知道那里的黑暗星系非常非常多。”他認(rèn)為，那里的黑暗星系可能比正常星系還要多。

黑暗星系究竟是什么，它們是如何形成的，這在目前還沒(méi)有答案，多數(shù)科學(xué)家只知道它們有多大和多亮。迄今，只有三個(gè)黑暗星系的質(zhì)量得到了測(cè)量，其中兩個(gè)的質(zhì)量和銀河系周?chē)男⌒窍迪嗨?，只有千分之一的質(zhì)量來(lái)自恒星，其余都來(lái)自暗物質(zhì)。第三個(gè)星系叫“蜻蜓44”，是一個(gè)大型黑暗星系，它的重量和整個(gè)銀河系相當(dāng)，幾乎全是暗物質(zhì)。

有關(guān)形成的兩種推測(cè)

黑暗星系的形成可能應(yīng)該歸咎于它們所處的環(huán)境。一個(gè)星系團(tuán)，例如后發(fā)座星系團(tuán)，是通過(guò)吸引附近的星系而成長(zhǎng)起來(lái)的。星系團(tuán)中彌漫著熾熱的電離氣體，當(dāng)星系進(jìn)入星系團(tuán)時(shí)，它們要穿越這種氣體，這個(gè)過(guò)程會(huì)將星系中的一些氣體剝離。但星系需要?dú)怏w來(lái)形成恒星，一旦那些氣體和塵埃因恒星自身的引力發(fā)生坍塌，就會(huì)變成一個(gè)發(fā)生著熱核反應(yīng)的“熔爐”，這就是恒星。

然而，當(dāng)一個(gè)星系進(jìn)入星系團(tuán)并開(kāi)始制造恒星時(shí)，那種由電離氣體形成的“逆風(fēng)”有可能吹掉大多星系中的氣體，導(dǎo)致很多恒星無(wú)法形成，這個(gè)星系就有可能變成黑暗星系了。

上述描述是黑暗星系形成的一種推測(cè)。另一種推測(cè)是由馬克斯·普朗克天體物理學(xué)研究所的科學(xué)家尼古拉·阿莫羅索和哈佛史密森天體物理中心的科學(xué)家亞伯拉罕·洛布提出的。這兩位科學(xué)家描述說(shuō)，所有的星系都是旋轉(zhuǎn)的，但黑暗星系也許旋轉(zhuǎn)得更快，這導(dǎo)致其中的恒星和氣體被甩得很遠(yuǎn)，從而將物質(zhì)散布得很開(kāi)，最后形成了比那些能制造恒星的星系黑暗得多的模糊的一團(tuán)，也就是黑暗星系。這兩位科學(xué)家將他們的這個(gè)理論發(fā)表在了2016年3月的《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上。

探秘之旅任重道遠(yuǎn)

為了驗(yàn)證這些理論，天文學(xué)家需要獲得兩項(xiàng)關(guān)鍵信息，即星系的質(zhì)量和它們所處的位置。質(zhì)量能幫助人們了解星系誕生的過(guò)程，位置能讓他們知道黑暗星系是否和巨大的星系團(tuán)是完全不同的。在這方面，人們也做了一些研究。2016年8月，耶魯大學(xué)的天文學(xué)家艾莉森·梅利特及其同事發(fā)現(xiàn)4個(gè)黑暗星系潛藏在一個(gè)8000萬(wàn)光年之外的小星系團(tuán)中，這似乎表明后發(fā)座星系團(tuán)這類(lèi)大型星系團(tuán)并不是黑暗星系僅有的“容身之地”。另外，范德伯格也研究了8個(gè)星系團(tuán)，并發(fā)現(xiàn)不

論星系團(tuán)的質(zhì)量如何，作為星系團(tuán)一部分的黑暗星系在整體的表現(xiàn)上和其他所有星系是一樣的。

宇宙中的黑暗星系到底有多少？它們都隱藏在什么地方？雷可·范德伯格說(shuō)，“在這件事情上，問(wèn)題總是比答案多”。黑暗星系也許暗示著關(guān)于星系形成的解釋需要新的理論，也許只是星系形態(tài)中僅有的一種，也許受制于時(shí)間、位置、運(yùn)氣的相互作用。這些因素使一部分星系擁有光明的未來(lái)，另一些則隱退到了暗淡的背景中。也許它們是一種混合體，其最后的結(jié)局取決于發(fā)生

在不同環(huán)境中的不同過(guò)程。不管是什么情況，對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，黑暗星系都是極具誘惑力的，他們無(wú)法抗拒這種誘惑。隨著發(fā)現(xiàn)的增多，他們尋找答案的欲望也越來(lái)越強(qiáng)，因?yàn)樗麄冎?，破解黑暗星系的秘密是極具價(jià)值的，可以幫助人們更好地了解宇宙中的諸多秘密，尤其是宇宙中所有星系的形成和演化之謎。當(dāng)然，其中也包括我們的銀河系。