【我們的銀河系如何長大？】

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【我們的銀河系如何長大？】

 

作者: Shea

 

Eugenie Samuel Reich　文　Shea　編譯

 

用蠟燭加熱一個氣球，它會膨脹炸開。

 

同樣地，當早期宇宙中的星系里有恆星爆炸的時候，也會產生高溫氣體的猛烈外流。

 

星系做為宇宙這一單調樂章中跳動的明亮音符承載著恆星乃至生命。

 

它們有的大，有的小，有的是通明的恆星生產廠，有的則黯淡寧靜，有的猶如螺旋的車輪，有的則似無規則的團塊。

 

是什麼造就了星系世界的千差萬別？

 

只要天文學家們能在實驗室里檢驗他們的理論，興許就能找到對這個問題的解答。

 

 

[圖片說明]︰旋渦星系M104，又名草帽星系。

 

版權︰NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA。

 

隨著時代的發展，天文學家已經越來越具備這樣的能力。當然不是通過蠟燭和氣球的實驗，而是使用具有非凡計算能力的超級計算機。

 

綜合日漸增多的對早期宇宙的觀測數據，大型的計算機模擬正在描繪出一幅整個宇宙的完整圖畫。

 

這幅畫的骨架則是由看不見的暗物質和低溫氣體所組成的“宇宙之網”。

 

現在的數值模擬和觀測正接二連三地顯示出它的重要性。宇宙之網似乎並不是一個框架這麼簡單。

 

按照最新的觀點，宇宙之網中的縴維結構正是為星系成長提供所需氣體的“臍帶”。

 

宇宙之網的故事既饒有興趣又曲折離奇。

 

1978年英國劍橋大學的天文學家馬丁‧里斯（Martin Rees）和西蒙‧懷特（Simon White）提出了一個與以往大相徑庭的星系形成理論，被稱為“等級式模型”。

 

作為這個模型的副產品，上個世紀80年代中期宇宙之網的概念應運而生。

 

 

[圖片說明]︰旋渦星系M31，又稱仙女星系。

 

是距離銀河系最近的大型星系，也是肉眼所能看見的最遙遠星系。

 

版權︰ Tony Hallas。

 

在等級式模型中，一切都始于大爆炸之後宇宙的超高速膨脹——暴漲。

 

暴漲幾乎“抹平”了整個宇宙，但並不是全部。

 

物質分布的微小變化會在某些地方形成高密度區，由暗物質組成的“暈”在其中會快速合並。

 

隨著時間的流逝，它們每一個都會演變成引力“陷阱”，周圍的氣體——主要是氫——會快速地落入其中。

 

在這一過程進行的同時，被束縛在“陷阱”中的氣體會被快速加熱，並且點燃第一代恆星。

 

此時，這些物質團塊——未來星系的種子——就像是幾乎空無一物的宇宙中的島嶼，同時也是正在發育中的宇宙之網的結點。

 

更為重要的是，它們還會運動。在相互的引力吸引下，它們開始踫撞、並合，由此會導致驟發性的恆星形成。

 

隨後恆星形成會暫時平息，直到下一次並合事件的發生，形成更大的團塊。

 

我們今天所看到的不同星系正是這一斷斷續續“施工”的結果。

 

這一圖像乍看之下非常漂亮。它和對早期宇宙的觀測符合得很好。

 

就連對宇宙微波背景的精細測量也證實了早期宇宙物質分布確實存在微小漲落。

 

在引力的作用下，等級式模型為這些微小的密度漲落成長為我們今天所看到的星系提供了一條坦途。

 

 

[圖片說明]︰旋渦星系M51，距離地球3,500萬光年。

 

版權︰NASA/The Hubble Heritage Team/STScI/AURA。

 

但是，這一圖像中的“裂痕”也隨之出現。

 

2006年，當天文學家萊因哈特‧甘澤爾（Reinhard Genzel）及其同事發表他們使用歐洲南方天文台甚大望遠鏡對一些最早的產星星系的觀測結果的時候，等級式模型最大的問題之一出現了。

 

他們使用了一種被稱為集成視場光譜儀的新技術，由此可以分析出來自天空中比滿月小20,000倍的區域所發出輻射的光譜，進而可以揭示出它們是在朝向還是遠離地球運動。

 

將這一技術應用于遙遠的星系，就能告訴我們它們的內部動力學情況。“這一技術確實帶來了巨大的突破，”甘澤爾說。

 

出奇的平靜

 

甘澤爾他們發現了一個非常奇怪的星系。

 

這個星系距離地球非常遙遠，現在我們所接收到的它的輻射是在宇宙誕生之後剛剛30億年的時候所發出的。

 

這個星系非常明亮，它每年所形成的恆星總質量可以達到100個太陽質量。相比之下，銀河系目前的恆星誕生率只有它的二十分之一。

 

在等級式模型中，其核心結論就是星系間的並合會引發恆星形成，但是觀測並沒發現任何踫撞的跡象。

 

而且，這個星系還具有一個轉動的星系盤，也並非是由星系並合而導致的不規則形態。

 

 

[圖片說明]︰相互作用的兩個旋渦星系NGC 6050和IC 1179，距離地球4,500萬光年。

 

版權︰NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA/Hubble Collaboration/K. Noll。

 

出現反常的還不僅僅是這一家。

 

從2006年起，甘澤爾小組已經拍攝了幾十個看似平靜的早期星系的照片，但其中正有新的恆星在大規模形成。

 

至少對于這些星系而言，等級式並合可以肯定不是它們整個故事的全部。

 

那麼它們又是如何成長起來的呢？

 

可能的情況並不是很多。

 

對宇宙微波背景的觀測為早期宇宙中的密度漲落提供了一幅清晰的圖像，這是任何一個模型都不能忽視的。

 

暗物質暈的生長、並合看起來也是不容質疑的。

 

神秘的暗物質是保持星系穩定、避免因轉動而瓦解的重要幕後“黑”手。

 

唯一留有回旋余地的就是和恆星形成有關的氣體。

 

關于氣體的具體理論從來沒有向暗物質暈並合那樣是建立在牢靠的基礎之上的。

 

 

[圖片說明]︰旋渦星系M64，它在10億年之前剛剛吞噬了一個小星系。

 

版權︰NASA/Hubble Heritage Team/AURA/STScI。

 

2006年初，兩個以色列科學家就沿著這條線使用超級計算機模擬來檢驗不同的理論。

 

他們認為，暗物質暈會不斷地吸積氣體。

 

他們得到的初步結果很吸引人。

 

連續不斷落向暗物質暈的低溫氣體流會被壓縮並且被有效地輸送到正在發育的星系的中心，在那里它們會形成新的恆星。

 

這說明對于恆星形成而言，並合並不是一個充分條件。

 

 

平穩操作

 

那麼這些氣體又來自何方？

 

2005年來自美國哈佛-史密松天體物理中心的一個天文學家小組希望通過數值模擬能尋找到對這個問題的解答。

 

他們用大約200萬個“粒子”來代表獨立演化的氣體和由暗物質組成的1,000個早期星系。

 

令人吃驚的是，他們發現低溫氣體流會自然而然的形成，聯接星系和與之毗鄰的巨洞。

 

如果星系是宇宙之網的結點，那麼這些氣體流就是組成它的線繩——通過它們周圍的氣體不斷地哺育星系，使得其中的恆星可以持續、穩定地形成。

 

[圖片說明]︰透鏡狀星系NGC 5866。

 

版權︰NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA。

 

2009年1月，天文學家們又往前進了一步。

 

他們在超級計算機中使用10億個氣體粒子和40億個暗物質粒子模擬了宇宙之網中一個有三個分叉的結點。

 

他們發現，每年差不多有相當于200個太陽質量的低溫氣體會流入該結點，這足以造成在年輕星系中所觀測到的恆星形成率。

 

低溫氣體流的秘訣就在于它們能平穩地輸入氣體。由于沒有了像並合這麼猛烈的過程，因此只有極少量的氣體和能量會被浪費掉，剩下的大部分則會被用于恆星形成。

 

所以平穩的操作是在宇宙早期形成勻稱的盤狀星系的關鍵。

 

為了把星系成長的電影再往前推一格，2009年4月法國和美國天文學家一起模擬了有低溫氣體注入的星系盤中引力不穩定性所產生的物質團塊是如何演化的，並且發現星系最終會形成類似我們銀河系這樣的成年星系所具有的旋臂特征。

 

 

[圖片說明]︰棒旋星系NGC 2787。

 

版權︰HST/STScI/AURA。

 

雖然這一新的機制取得了重要的進展，但是它並不能完全顛覆並合理論。

 

暗物質團塊的並合不論是對于在一開始形成暗物質暈還是對于比銀河系更大的星系的形成都被認為是非常重要的。

 

在所有的星系中有超過10%的是內部沒有旋臂結構的大質量橢圓星系。

 

這些星系可能就是通過小得多的由低溫氣體流吸積氣體所形成的小型星系並合而來的。

 

由此，宇宙之網不再是並合理論的一個反例。

 

沿著宇宙之網縴維結構注入星系的物質有時是一股“涓涓細流”，可以滋養較小的盤狀星系，但有時則會含有較大的團塊，這一物質洪流的沖擊倒更類似于並合。

 

按照理論模型，對低溫氣體的吸積一直會延續到今天。

 

在早期宇宙中，宇宙之網中的“線繩”會在10,000光年的跨度上哺育星系，這一範圍比現在的銀河系還要小上10倍。

 

但是隨著宇宙膨脹，這些臍帶就會變得越來越寬，同時也會變得越來越稀。

 

這就會造成低溫吸積的效率比以前大大降低，也減小了成年星系中的恆星形成率。

 

現如今的低溫氣體流早已失去了昔日的雄風，變成了從各個方向落向星系的毛毛細雨。

 

 

[圖片說明]︰位于室女星系團中心的橢圓形系M87。

 

版權︰Robert Gendler。

 

這也正是為什麼我們從來沒有在銀河系的周圍找到有關這些低溫氣體流直接證據的原因。

 

此外，低溫吸積過程會產生萊曼-α紫外輻射，它們是由于氣體在掉入星系的過程中被加熱而造成的。

 

但不幸的是，這些輻射幾乎完全會被星系中的塵埃以及地球大氣所吸收，這使得即便從地球上也不可能看到非常靠近我們的低溫氣體流。

 

為此，甘澤爾對此提出了警告。“我們必須十分小心，而不是隨大流，”

 

他說，“畢竟還沒有一個人真正觀測到了這些低溫氣體流。”

 

 

[圖片說明]︰橢圓星系NGC 1316，它被認為是由不久前的兩個星系踫撞而形成的。

 

版權︰P. Goudfrooij/STScI/Hubble Heritage Team/AURA/ESA/NASA。

 

有意思的是，遙遠星系中的低溫氣體流也許能較為容易地被觀測到。

 

由于宇宙膨脹，來自遙遠天體的光會向光譜的紅段移動，這就意味著來自早期宇宙中星系的萊曼-α紫外輻射會紅移到不受地球大氣影響的可見光波段。

 

美國哈佛-史密松天體物理中心的天文學家認為，其實他們在1998年就已經觀測到了這一輻射。

 

當時他們在宇宙年齡僅有20億年的地方發現了兩團巨大的會發射出萊曼-α輻射的氣體。

 

這些氣體橫跨兩個年輕的星系，從它們外部的暗物質暈一直延伸到它們內部明亮的星系盤。

 

此後，在許多其他的早期星系中也發現了類似的氣團。

 

這些氣體到底是什麼，甚至于這些氣體是在向星系運動還是從星系中逃逸出來，仍然是個謎。

 

有人認為，它們正是宇宙之網伸向星系的觸手。

 

當然，也有人對此表示反對。

 

一些觀測到的氣團就位于會發射X射線和紫外線的類星體周圍，因此類星體可能是它們的源頭，而非宇宙之網。

 

 

[圖片說明]︰不規則星系NGC 1427A。

 

宇宙中大約有3%的不規則星系，它們特殊的形狀大多是其他星系相互作用的產物。

 

版權︰NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA。

 

 

較晚成形

 

將年輕產星星系的特寫照片和計算機模擬的結果進行比較是平息這一爭論，同時也會宇宙之網的新作用打下更堅實基礎的絕佳途徑。

 

最近天文學家們已經找到了15個和銀河系質量相仿的近距星系，但這些星系看上去似乎在30～40億年前才開始有恆星形成。

 

這也許預示著，所有星系都在宇宙的早期就開始形成恆星的這一標準觀點可能有待商榷。

 

如果所有的星系都是由並合而形成的，那麼在這些星系中應該會留下猛烈踫撞的證據。

 

另一方面，如果星系形成是由低溫氣體流所驅動的，那麼這些星系就應該是盤狀的並且會通過宇宙之網中的“線繩”和大量的原初氫氣相連。

 

對于觀測到的這15個星系，它們可能正好處于宇宙之網相對較為稀松的巨洞之中，這就意味著它們的成形會比較晚。

 

 

[圖片說明]︰超級計算機模擬出的宇宙之網，在其中可以清晰地看到其中生長出的細絲和明亮的結點。

 

版權︰BHCOSMO。

 

但是目前的觀測還無法分辨這些星系內部的動力學情況。不過現在既然已經知道這些星系的所在了，那麼將來諸如哈勃空間望遠鏡這樣的強力觀測設備必定會對它們進行詳盡的觀測。

 

對于絕大多數的天文學家來說，有一點是已經清楚了的，那就是星系形成的整個圖像需要修改。

 

在過去的4～5年里它已經發生了顯著的變化，現在我們看到的所有星系都處于哺育它們的絲網狀結構之中。

 

在宇宙數值模擬的支持下，宇宙之網正在變得越來越真切、越來越重要。

 

（本文已刊載于《天文愛好者》2010年第2期）

 

 

引用：http://www.skylook.org/info/info-tw/info_5972.html