(翻译)银河之伴,汝居何方?

注:本文遵守首页上的CC版权声明,转载请注明作者与出处,谢谢!

本文来源:科学松鼠会http://songshuhui.net/archives/20062.html

译者自然是我~~~

译者附言:感谢论坛的Marmelader帮助翻译“暗星系”小节的一部分,感谢pchu和gerry的宝贵意见~~~

银河系本应为众多迷你星系所簇拥,事实却并非如此。如Marcus Chown所言,这给我们对引力的理解出了道难题。

银河系艺术想象图

如同扑火的飞蛾,数以千计小型的伴星系围绕着我们的银河系纷飞。这是天文学家所梦想的场景,与我们已建立的关于银河系附近环境的模型契合无误。不幸的是,这个梦与现实相去甚远。

据我们所知,只有25个凌乱的伴星系在银河系外围飘泊流浪。“我们看到的伴星系只有预计的百分之一。”德国波恩大学的Pavel Kroupa说:“这个情况要说明的东西再清晰不过了:我们对星系形成过程想象的图景之中,有些东西大大地搞错了。”

伴星系的明显短缺并不是令人震惊的唯一原因。今年早些时候,在德国Bad Honnef举行的一场会议中,Kroupa和他的同事展示了对已知伴星系位置和运动的一项分析。他们指出,这些伴星系以出乎意料的方式围绕着银河系转动,而综合之后得到的结果与主流宇宙学的观点相悖。Kroupa说,只有一种方式可以解释这些结果,就是万有引力比牛顿预想的要更强。

对牛顿的万有引力定律提出质疑,这向来是富有争议性的。但无论真理在谁手中,关于银河系伴星系的研究已经成为了暗物质理论和修正的引力理论之间对决的新战场。

我们从数十年的观测中得到的关于宇宙的标准图景是这样的:看不见的冷暗物质的总质量是可见物质的6到7倍,而你、我、行星和恒星都是由可见物质组成的。没人知道暗物质的组成,人们假定它存在是为了解释:为何旋涡星系中的恒星能够以极高的速度绕着星系核心公转,而不会被甩入虚无的星际。在旋涡星系中的普通物质不足以提供足够的引力,所以额外的引力应该是由数量巨大的暗物质所提供的,这样才足以避免这些严重超速的恒星飞走。

在早期宇宙的成型过程中,人们认为暗物质也扮演了关键的角色。在大爆炸后,暗物质率先在引力的作用下聚集成团。因为它们不与光相互作用,所以不会被大爆炸的火球“吹散”。稍后,普通的气态物质掉进了这些被称为暗物质晕的团块中。在这里,气态物质聚集成恒星,形成可见的星系。

这个暗物质版本的星系形成图景有一个关键的特点:暗物质会形成大小各异的晕。根据宇宙学的标准模型,银河系形成所需要的暗物质晕周围应该会有数以千计的小晕,而这些小晕也会孵化出小的伴星系。

那么,为什么我们看不见这些小的伴星系?也许仅仅因为绝大部分伴星系只包含数千恒星,太暗了从而难以辨认。(《新科学家》,八月十五日,第10页)

另一个问题就是,仅凭肉眼我们很难判断天空中的一群星星到底是真的聚在一起,还是本来距离迥异但由于巧合处于同一方向上。证明星星的确聚在一起,需要借助计算机进行搜索,还需要对恒星颜色的详尽分析来给出它们的相对距离和类型。这是个既吃力又昂贵的活计。

潮汐矮星系

尽管如此,在近五年来,借助于斯隆数字化巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS),我们发现伴星系的速度上了一个台阶。在SDSS之前的30年,我们只发现了9个伴星系,但自从有了SDSS,我们又发现了15 个,其中最大的直径为1000光年,只是银河系直径的百分之一,而最小的直径只有150光年。尽管有了这些进展,已知的伴星系数量还是远远少于冷暗物质模型的预测。

“失踪的伴星系”并不是唯一的谜团。Kroupa和同在波恩大学的同事Manuel Metz,还有来自奥地利维也纳大学的Gerhard Hensler和澳大利亚堪培拉附近斯特姆洛山天文台的Helmut Jerjen,四人研究了为数甚少的已知伴星系的位置和运动。他们发现,大部分的伴星系都很靠近同一个与银盘垂直的平面。另外,绝大多数伴星系都按照同一方向绕银河系公转。“这与银河系形成的暗物质模型完全不相容,”Kroupa说。他指出,这些伴星系应该更像一群蜜蜂,轨道没有规律,总体呈球形分布。

如果暗物质模型不能解释银河系伴星系的起源,那么,它们起源何处?据Kroupa所言,从麦哲伦星流中我们能找到启示。在银河系引力的作用下,大麦哲伦云被拖出了一条长长的尾迹,这条由气态物质和恒星组成的尾迹就是麦哲伦星流。(The Astrophysical Journal, vol 697, p 269)

麦哲伦星流艺术想象图

在100至120亿年前,当银河系刚刚诞生时,这类潮汐效应更为普遍,因为在当时快速膨胀的宇宙中,星系之间的距离比现在小得多。Kroupa和他的同事说,当时年轻的银河系通过万有引力,把过路星系的气体拖了出来,形成了古老的“潮汐矮星系”,后来就变成了今天的伴星系。“如同麦哲伦星流,这样形成的伴星系在平面上自然会排成一顺,而运动方式也相似。”Kroupa说。

这个解答看起来很简洁。但“今天的伴星系就是以前的潮汐矮星系”这个想法引出了另一个问题。对伴星系内恒星速度的测量表明,这些恒星围绕伴星系公转的速度非常快——按照这个速度,它们本应早被甩到星系际空间中了。

这正是天文学家在旋涡星系中发现的问题,他们引进了暗物质来解释它。“麻烦在于,引进暗物质的修正不能用在由潮汐矮星系形成的伴星系上。”Kroupa说。原因与星系相互作用或者碰撞时,普通物质和暗物质在行为上的差异有关。

在一个名为子弹星系团的天体中,这种差异尤为明显。子弹星系团是由两个星系团碰撞而形成的。钱德拉X射线天文台拍摄到的图片显示,当两个星系团碰撞时,这两团巨大的气体云面对面撞在了一起,移动速度都变慢了。但质量分布图却暗示两个星系团的暗物质不受影响地穿过了彼此,将对它们引力依依不舍的普通物质扔在了身后。

子弹星系团

Kroupa估计,当潮汐矮星系形成时,暗物质和寻常物质也是以这样相似的方式被分开的。难题就来了:伴星系中的恒星以疯狂的速度公转,这个事实“尖声呼唤着暗物质”,Kroupa说,“但其它的证据都表明这些伴星系不可能含有暗物质。

那么,如何解释在潮汐矮星系中恒星那非同寻常的高速度呢?Kroupa认为,唯一的答案就是修正引力。他最青睐的一种暗物质替代品被称为修正的牛顿动力学(modified Newtonian dynamics,简称MOND)。这个理论是在上世纪八十年代初由Mordehai Milgrom提出的,现在他在以色列的魏茨曼研究院。MOND宣称,当加速度低于某个关键值时,引力会比牛顿定律预言的要大。对于在旋涡星系外围的恒星,因为它们的加速度比那些在中央的伙伴低,所以受到的引力会比牛顿预言的要稍强。通过一个简单的公式,Milgrom可以解释那些旋涡星系中已测量的恒星运动速度。

MOND是暗物质的一个合乎逻辑的替代。然而,我们难以找到两个理论的预言产生分歧的场景。现在,这种情况改变了。Milgrom认为在预言银河系伴星系的数量、位置和速度上,我们显然看到了暗物质模型的失败。他说:“在这个再简明不过的情况里,MOND赢了,暗物质输了。”

然而,在牛津大学的James Binney对此则不太赞同。与Milgrom形成鲜明对比,他宣称伴星系之谜支持了暗物质图景。“实际上,在这个再简明不过的情况里,暗物质赢了。”

暗星系

MOND与暗物质各自的拥趸为何对相同观测结果的解释如此截然不同?

Binney建议大家细看星系形成的暗物质图景。在大爆炸的余波中,时空中的量子涨落使宇宙中一些区域物质较多,而在另一些像空洞的地方,物质则少得多。这些空洞膨胀的速度比物质稠密的区域更高,因为物质稠密区域的膨胀会被其中物质相互的引力制约。

当空洞膨胀并互相连接时,它们会吧暗物质和普通物质挤压成条条片片。Binney说,“我们可以在星系的分布上看出这点。”宇宙就像一块由星系构成的巨大的瑞士奶酪。

宇宙的大尺度结构(计算机模拟) 

他发现,物质被挤压的过程在银河系的尺度上也在发生:暗物质可能沿着一定的路径涌入银河系(New Scientist, 18 July, p 34)。所以Binney认为,我们看见伴星系大部分被禁锢在单个平面以相似的方式运动,这很正常。“暗物质图景可以完美地解释它们的性质。”他说。

但如果伴星系的位置和运动与暗物质模型相符,为什么我们仅看到了期望数量的1%?Binney不认为这有问题。他说,失踪的星系只是因为太暗,我们没有发现而已。或者“它们可能仅仅由暗物质组成”,没有足够的气体来点亮恒星。

Binney指出,由位于德国海德堡的马克斯·普朗克天文研究所的Sergey Koposov的小组新近发表的一项研究表明,我们看到的伴星系仅仅是冰山一角。从已经观测到的伴星系的性质来看,Koposov预测,应有数以千计尚未发现的超暗星系。(The Astrophysical Journal, vol 696, p 2179)

但为何这些含有大量气体和暗物质的伴星系竟然没有多少恒星,个中原因并不明朗。抑制恒星的形成牵涉到复杂的机制,而大家一致同意,我们对这些机制并不了解。“这就是暗物质模型的死穴,”Binney承认道:“但这只是说明,为了让这个模型有血有肉,我们还有很多工作要做。”

Milgrom和Kroupa并不信服。他们坚持认为,暗物质模型的致命漏洞正是在于它需要一个机制来阻止恒星的形成。但为了说服别的研究人员,他们需要付出极大的努力,因为大部分天文学家的研究早已与暗物质结缘,他们不会轻易将三十多年来的工作付诸一炬。Binney认为,事实上暗物质和MOND 二者都有各自的缺陷。

那这二者何时能决出高下呢?答案可能取决于一副银河系外围的引力地图。通过详细绘制所有可见伴星系和球状星团的运动图,我们应该可以从中推测出所有黯淡伴星系的存在,即使我们无法看见它们。假如结果如同暗物质模型预言的那样,那里有数以千计的超暗星系的话,那暗物质的支持者就赌赢了。反之,暗物质就只剩下垂死挣扎了。

在没有这样的引力地图的情况下,双方的决斗更像是在闹着玩,而不是真刀真枪决一死战。现在,银河系的外围仍然是两种观点碰撞的广阔战场。

Marcus Chown是Quantum Theory Cannot Hurt You (Faber, 2008)的作者。

 

译者注:

我来做做广告~~~

有一个名为MilkyWay@home的志愿计算项目,目的就是通过对斯隆数字化巡天的信息进行大规模的搜索来进行银河系伴星系的研究。更细致地说,他们研究的是人马座矮椭球星系被银河系的潮汐力牵引出来的人马座矮星系星流(请参见“潮汐矮星系”一节)。研究人员希望,通过对人马座矮星系星流的仔细测量,可以获得银河系外围的质量分布图,也就是说最后一节提到的引力地图。

MilkyWay@home模拟图

你也可以出一份力!这个项目的网站是http://milkyway.cs.rpi.edu/milkyway/,只需要下载一个叫BOINC的软件,作一些简单设定,你的计算机就会开始帮助研究人员绘制人马座矮星系星流的具体位置了。如有疑问,欢迎到http://www.equn.com /forum/forum-11-1.html询问。

Advertisements

2 thoughts on “(翻译)银河之伴,汝居何方?

发表评论

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / 更改 )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / 更改 )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / 更改 )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / 更改 )

Connecting to %s