銀河系周圍的小夥伴是「衛星」還是「訪客」?這可是個大問題!

2021年11月30日13:29

  歐洲航天局“蓋亞”衛星的數據正在改寫我們銀河系的歷史。近期,來自歐洲和中國的天文學家計算了銀河系周圍40個矮星系的運動,發現它們很可能是首次來到銀河系附近,而非“衛星”,這可能對暗物質理論提出挑戰。

  銀河系周圍的矮星系(來源:ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO)

  我們的銀河系被大約50個矮星系所包圍,其中有兩個特別出名,在南半球的天空中僅憑肉眼就能看到,即大麥哲倫雲星系(LMC)和小麥哲倫雲星系(SMC),其他大多數隻能通過望遠鏡識別,通常會以其所在的星座命名(如天龍座矮星系、玉夫座矮星系、獅子座矮星系等)。

  所謂“矮”,是指這些星系體量比較小,光度比較低,通常由數千到數十億顆恒星組成(銀河系由數千億顆恒星組成)。傳統上,我們認為這些矮星系是環繞銀河系運行的衛星星系。然而,現在,來自歐空局“蓋亞”衛星的最新數據顯示,大多數矮星系恐怕是第一次經過銀河系。這顛覆了以往的認知,迫使天文學家重新考慮銀河系形成及演化的歷史,以及這些矮星系本身的性質和組成。

  大麥雲和小麥雲(來源:exploringnightsky.com)

  有賴於“蓋亞”極高的觀測精度,我們可以對這些矮星系進行前所未有的精確計算。來自歐洲和中國的一個研究團隊觀察了銀河系周圍40個矮星系的運動,計算了每個星系的三維速度,從而推演其軌道能量和角動量。他們發現,這些星系的運動速度比已知圍繞銀河系運行的巨星和星團要快得多,如果從經典力學的角度來思考問題,這樣的速度會導致它們不可能繞銀河系作軌道運動,至少暫時還不能。隨著與我們的銀河系及銀河系內的物質發生相互作用,它們的軌道能量和角動量會得到顯著削弱。降到一定程度,就有可能變成衛星星繫了。

  銀河系中的部分矮星系(來源:ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO)

  這個發現與我們對大麥哲倫星系的理解是一致的。它也曾被認為是銀河系的一個衛星星系。直到21世紀初,天文學家測量了它的運動速度,發現它的速度太快了,無法被銀河系的引力束縛,因此大麥雲很可能是首次來到銀河系附近,而不是圍繞銀河系轉動,如果是這樣,那就不太符合傳統意義上“衛星”的概念了。現在看來,大多數矮星系也是如此,它們是在過去數十億年中才來到我們附近的。

  保持高速運動的矮星系到底是“衛星”還是“首次訪客”呢?不同的思維可是會引爆一個大問題的!

  理論上沒有暗物質的星系中(左),外圍物質的運動速度比較慢;只有包含暗物質,外圍物質才能保持高速旋轉(右)(來源:Wikimedia Commons)

  如果按照傳統的認識,即矮星系是銀河系的衛星星系,那麼它們必須依靠一種神秘力量才能讓自己以高速繞行,那就是——暗物質。暗物質是一種神秘的物質,天文學家認為它存在於宇宙中,尤其是星系和星系團中,它提供了額外的引力,將星系中的恒星、氣體、塵埃等物質聚集在一起。這樣的思路下,必須要求矮星系含有暗物質,才能平衡銀河系的引力。

  如果換一種思維,假如矮星系本身並未繞銀河系運動,而只是首次造訪,那麼即便沒有暗物質,也是講得通的。只不過,很可能它們當中的大部分都不會成為衛星星系。

  當前大多天文學家認為銀河系外圍有著巨大的暗物質暈,數十個矮星系都被包裹其中繞銀河系運動。(來源:Robert Caldwell & Marc Kamionkowski,  Nature 458, 587-589 (2009))

  但是,有一點需要注意,根據大量的現實案例,我們幾乎可以確信,在過往的100多億年里,銀河系曾吞噬過許多矮星系。換句話說,銀河系是在不斷的“大魚吃小魚”的過程中逐漸長大的。例如,科學家認為在80-100億年前,一個名為蓋亞-恩克拉多斯(Gaia-Enceladus)的矮星系被銀河系吞併,它的恒星擁有特定的軌道偏心率和速度,至今還可以在“蓋亞”數據中識別出來。而就在最近,大約在40-50億年前,人馬座矮星系被銀河系捕獲,目前正處於被撕碎融合的過程中。而其中恒星的軌道能量(速度)高於蓋亞·恩克拉多斯,這表明它們受到銀河系影響的時間更短。

  藝術家描繪的人馬座矮星系(左側球狀部分)在銀河係引力作用下產生四條星流(來源:University of Cambridge/Amanda Smith)

  意思是,如果沒有暗物質,那麼又是誰能讓這些矮星系的速度降下來,如何才能讓銀河系演化成今天這個模樣呢?恐怕現實會很殘酷——銀河系正在憑藉其強大的引力吸引矮星系來到自己身邊,並且試圖撕碎它們,吃掉它們!

  這些矮星系未來的命運會怎樣?銀河系過去曾經曆過什麼?這些問題難道真的要等待暗物質來回答嗎?

  參考資料:

  Gaia reveals that most Milky Way companion galaxies are newcomers to our corner of space

  (https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Gaia_reveals_that_most_Milky_Way_companion_galaxies_are_newcomers_to_our_corner_of_space)

  本文轉自天文茶餐廳

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