矮星系群——標準宇宙模型中缺失的一塊拼圖

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矮星系群——標準宇宙模型中缺失的一塊拼圖

左上是大麥哲倫雲，右下是小麥哲倫雲。

天文學家首次發現單獨的一組靠引力聯繫在一起的矮星系。這可以作為分層結構存在的直接證據，來證明之前天文學家們預測的標準宇宙模型。

通常來講，人們認為矮星系只是像銀河系這樣的大星系的附屬品。最有名的例子就是質量只有銀河系百分之一的麥哲倫雲——唯一一個用裸眼就能夠認出的矮星系。銀河系的鄰居——仙女座星繫到目前為止甚至已經被發現擁有14個伴星系。

美國國立射電天文台（NRAO）Sabrina Stierwalt的研究團隊長期在斯隆數字巡天（SDSS）的觀測數據中搜索後發現，與之相反，那些矮星系並不是附屬品。

她的發現發表在專業雜誌《自然——天文卷》上，其中記錄了她過去幾年搜尋彼此有相互作用的矮星系的豐碩成果：她發現了七組矮星系，這些星系之間雖然依靠引力彼此關聯在一起，卻並不是更大星系的伴星系。這些星系存在於距離我們2億到6.5億光年的地方，是距離我們較遠的鄰居，它們是整個宇宙學標準模型至今仍然未知的一塊。（如下圖所示）

研究人員由麥哲倫雲猜測，很久以前大小麥哲倫雲有可能發生過碰撞。不過這兩個星系的發展變化顯然是受到銀河系的影響。現在發現的七組矮星系距離大質量星系很遠因而能夠不受影響的成長——比如，在大約10億年內長成一個大型星系。

標準宇宙模型，也就是Lmbda-CDM模型，描繪了宇宙中的星系核星系團在138億年前發生宇宙大爆炸後幾乎均勻分布的物質中微小的密度變化。模型名稱中的Lambda代表了相對論中的宇宙常數，CDM是冷暗物質的縮寫（Cold Dark Matter）。我們的宇宙中大部分物質都是不可見的暗物質，它們的存在僅僅體現在重力的交互作用上。可見物質在星系中心聚集，再加上不斷累積的暗物質，兩者最終才組成了完整的星系。

這個公式理論來說應該適用所有的量級，包括較小的矮星系。也包括早期宇宙中由於重力影響合并了的或者將要合并的矮星系，和因此產生的螺旋星系。再Lambda-CDM模型中星系的演變是從小到大分層級的。

這種分層結構的殘餘物質就是現在的矮星伴星系，這些殘餘物質是再星系合并的時候倖存下來的。這至少可以預報建立在Lambda-CDM模型基礎上的大型的宇宙模擬，以及整個宇宙在大爆炸剛剛發生一直到現在的演變。事實上天文學家已經觀測了大量的矮星伴星系，比如說題圖的大小麥哲倫雲。

但是這種模擬模擬同樣也有如下預判：一定會存在著遠離螺旋星系和橢圓形系而單獨存在的矮星系。而這恰恰就是通用宇宙模型中缺少的那一片「拼圖」，正如Stierwalt和他的合作者提供的那七組矮星系。每一組都包含三到五個矮星系，其質量大約是太陽的44億至200億倍。相比較而言，銀河系的質量大約是太陽的10000億倍。

光譜學距離

在藉助斯隆數字巡天有了一系列發現後，研究者們開展了更多的光譜觀測。他們想弄清楚，銀河系中的矮星們是否只是隨機出現在相同的位置。他們的研究結果表明，所有的矮星系都擁有相近的速度並且很接近這一組星系的平均速度。由此研究人員認為，矮星系們確實是靠著引力聯接在一起的。

這不僅意味著這些矮星系在十億年間可以通過彼此融合來形成一個中等大小的星系，對科學家來說，他們可以在實驗室內對星系在初始階段的形成和演化做相應的研究（目前來說相關的研究數據還非常有限。矮星系通常很容易收到外界的影響，比如較大星系的潮汐力。但是這幾組矮星系距離他們最近的大質量星系都至少有500萬光年，因而可以不受潮汐力的影響。

數學模擬結果顯示，這樣幾組矮星系的情況在宇宙形成初期是經常發生的，而現在應該已經不常見了。因此這七組觀測數據是一致的。當然這也是很有益的，對這七組矮星系的觀測其實是對早期宇宙的觀測。然而由於矮星系遙遠的距離和微弱的亮度，對它們的觀測是很難或者說近乎於不可能的。因此這七組矮星系是一個很好的研究替代品。

科學家們希望在未來能夠發現更小的矮星系並觀測它們的緩慢增長。現在所發現的矮星系大約都是和麥哲倫雲相同大小的，並不是真正的小型星系。對於宇宙分層結構中更小的碎片的搜尋還遠遠沒有結束。

原文載於2017年7月的《 Sterne und Weltraum 》

作者：FRANZISKA KONITZER

德語翻譯：王坤

校譯：系外行星地瓜君

編排：邱煜欣

責任編輯：解仁江

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