丟失的星系

□ 國家天文臺 李 然

丟失的星系

□ 國家天文臺 李 然

在 1933年之前，科學(xué)家們也許已經(jīng)意識到深空中璀璨的群星并不是宇宙的全部，但他們顯然并沒有料到發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量在宇宙中是那么微不足道。

這一年，加州理工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家茨威基（Zwicky)研究了后發(fā)（Coma）星系團(tuán)中星系的速度，并由此發(fā)現(xiàn)了令人驚奇的事情。觀測顯示，如果認(rèn)為星系團(tuán)的質(zhì)量就是所有恒星質(zhì)量之和，那么后發(fā)星系團(tuán)中星系的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了星系團(tuán)的逃逸速度。也就是說，理論上這些星系早就應(yīng)該掙脫了星系團(tuán)的引力束縛，飛散開來。茨維基向來以深刻的洞察力和大膽提出新觀點著名。他立刻猜想這些星系團(tuán)中顯然應(yīng)該充滿了看不見的物質(zhì)。并且，為了能夠解釋觀測到的星系的速度，這些暗物質(zhì)的質(zhì)量至少超過可見物質(zhì)一個量級。

進(jìn)一步，茨維基還推論，一旦擁有如此大的質(zhì)量，星系團(tuán)的引力場將彎曲遠(yuǎn)處星系發(fā)出的光，產(chǎn)生強烈的引力透鏡效應(yīng)。遠(yuǎn)處同一星系發(fā)出的光，可能會因此從不同的路徑到達(dá)地球上的觀測者。從觀測者看來，同一個星系，在星系團(tuán)的透鏡效應(yīng)下，可以產(chǎn)生多個像。

也許是因為他太過經(jīng)常提出驚人的想法，茨維基的觀點并未很快被人接受。但在隨后的40年里，更多的觀測證實了他的想法。如果沒有暗物質(zhì)，人們就不能解釋為什么銀河系可以束縛住圍繞它旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星星系，也無法解釋在距離銀河系中心很遠(yuǎn)處的氣體云為什么能保持很高的軌道速度。而通過引力透鏡效應(yīng)的觀測可以直接探查宇宙中暗物質(zhì)的分布，這更是直接告訴人們——暗物質(zhì)在宇宙中無處不在。

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弗里茨·茨威基（Fritz Zwicky)，1898～1974，是美國上世紀(jì)最著名的天文學(xué)家之一。他一生做出了數(shù)項留名史冊的工作，其中最重要的成就是超新星本質(zhì)的解釋和暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。他在引力透鏡和星系巡天等方面也做出了諸多開創(chuàng)性成果。

圖1 哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測到的星系團(tuán)（編號Abell1689）。璀璨的星系只占星系團(tuán)質(zhì)量的一小部分。圖片中可以看見由于引力透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的長弧狀結(jié)構(gòu)。

在今天的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型里，暗物質(zhì)是宇宙中最主要的物質(zhì)組分，占據(jù)了宇宙物質(zhì)質(zhì)量的80%以上（不包含暗能量）。這些暗物質(zhì)并不是像沒有被恒星照亮的氣體或者塵埃那樣的由質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的普通物質(zhì)。宇宙微波背景輻射和宇宙元素核合成理論表明，這些暗物質(zhì)一定是標(biāo)準(zhǔn)粒子模型之外的物質(zhì)。這樣的暗物質(zhì)不能進(jìn)行電磁相互作用，因此也就不能發(fā)出電磁波。

同時，今天的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型還要求暗物質(zhì)是“冷”的。這說的是暗物質(zhì)粒子在宇宙早期的速度非常低。在這種情況下，宇宙第一批形成的暗物質(zhì)團(tuán)塊——暗暈，質(zhì)量都很小。這些小暗暈通過相互合并進(jìn)一步長大。冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)從八十年代開始獲得了巨大的成功：從微波背景輻射到星系的旋轉(zhuǎn)曲線，再到大尺度纖維結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬預(yù)言。在幾乎所有的宇宙學(xué)觀測領(lǐng)域，冷暗物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型都給出了恰當(dāng)?shù)睦碚擃A(yù)言。宇宙學(xué)家們高興地宣布，基于觀測數(shù)據(jù)的豐富和模型的成功，宇宙學(xué)進(jìn)入了精確學(xué)科時代?？墒呛镁安婚L，沒過幾年，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)似乎預(yù)言了太多的小結(jié)構(gòu)，而觀測中卻看不到相應(yīng)數(shù)目的星系。這也就是所謂的“衛(wèi)星星系丟失問題”。

為了理解這個問題，現(xiàn)在讓我們來仔細(xì)思考一下宇宙中的結(jié)構(gòu)形成。正如我們前面提到的，在冷暗物質(zhì)的宇宙中，第一批形成的暗物質(zhì)暈都是小質(zhì)量的。在宇宙歷史上，暗暈的合并非常頻繁。當(dāng)一個小暗暈被一個大暗暈捕獲后，它會一邊繞轉(zhuǎn)，一邊沉入大暗暈中心。在這個過程中，小暗暈會持續(xù)地丟失質(zhì)量，直到完全被瓦解。但是小暗暈的核心區(qū)域比較密集，抵抗潮汐瓦解的能力較強，因此一部分小暗暈的核心部分能夠存活很長時間。再加上小暗暈會持續(xù)地落入大暗暈中，因此今天的暗暈中應(yīng)該大量存在小的暗物質(zhì)團(tuán)塊——子暗暈。

記住這一點，讓我們再來看一下星系的形成。在宇宙早期，重子物質(zhì)一直在和光子不停碰撞，沒有辦法聚集成團(tuán)。等到宇宙冷卻，光子退耦以后，重子物質(zhì)終于可以聚集塌縮了。這時候暗物質(zhì)早已經(jīng)聚集形成了引力勢阱，重子物質(zhì)別無選擇，只能在暗物質(zhì)的勢阱中塌縮。和暗物質(zhì)不同，重子物質(zhì)可以通過輻射的方式降低自己的內(nèi)能，從而變得越來越聚集。當(dāng)密度超過臨界，核反應(yīng)被點燃，大量的恒星隨之形成，星系也從此誕生。在隨后的演化中，星系伴隨著暗暈成長而成長。當(dāng)兩個大小差不多的暗暈合并時，寄宿于暗暈中的星系也會在很短的時間里迅速合并。當(dāng)兩個差異很大的暗暈合并時，小的暗暈成為大暗暈的子暗暈，而小暗暈中的星系就成為了隨子暗暈一同在主暗暈中繞轉(zhuǎn)的衛(wèi)星星系。一般認(rèn)為，只要子暗暈大于一定的質(zhì)量，其中就會存在著衛(wèi)星星系。在計算機數(shù)值模擬中，天體物理學(xué)家可以細(xì)致地追蹤暗物質(zhì)暈的形成和星系的演化。數(shù)值模擬顯示，今天的暗暈中確實存在大量的子暗暈。

根據(jù)銀河系的動力學(xué)觀測，天文學(xué)家們推算，銀河系所在的暗暈大約是10000億太陽質(zhì)量。1993年，考夫曼等人詳細(xì)研究了星系的形成歷史，發(fā)現(xiàn)這樣的暗暈（其中包含銀河系這樣大的星系）中，應(yīng)該至少存在100個質(zhì)量大于100萬太陽質(zhì)量的衛(wèi)星星系?？蓪嶋H上，我們卻只在銀河系中觀測到了十多個這樣的衛(wèi)星星系。

在隨后的一系列研究中，科學(xué)家們都得到了類似的結(jié)論。1999年，美國新墨西哥大學(xué)的克利平(Klypin)更是直接在文章標(biāo)題中詰問“丟失的星系到哪去了”？這樣的詰問中隱含著潛臺詞。這些科學(xué)家們相信冷暗物質(zhì)模型并沒有錯誤，只是某些我們不知道的機制使得在小暗暈中并沒有形成那么多的星系。即使形成了，它們的亮度也比我們估計的低得多。

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重子物質(zhì)：

是指從質(zhì)量上來看主要由重子組成的物質(zhì)，比如所有由原子組成的物質(zhì)。

非重子物質(zhì)：

是指從質(zhì)量上來看主要不是由重子組成的物質(zhì)，比如中微子、自由電子和光子等。

光子退耦：

在宇宙早期的高溫高密度環(huán)境下，自由電子、光子相互碰撞非常頻繁，物質(zhì)和光子維持熱平衡狀態(tài)。隨著宇宙膨脹冷卻，電子和質(zhì)子結(jié)合形成原子，自由電子迅速減少。此后，光子與電子碰撞幾率變得很小。這個過程稱作光子和物質(zhì)的退耦合，簡稱光子退耦。光子退耦后，物質(zhì)不再維持熱平衡狀態(tài)，開始聚集塌縮。

天文學(xué)家們希望將問題歸因于星系形成模型，這并不是一個非理性的判斷。因為星系形成的過程太復(fù)雜，不能像暗物質(zhì)的演化一樣在數(shù)值模擬中通過解引力方程高精度地追蹤。在星系形成中包含恒星形成、氣體冷卻、超新星和黑洞能量反饋等機制，其中相當(dāng)一部分物理人們至今仍未理解透徹。這些氣體物理過程對于子暗暈結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星星系形成的影響也并未完全被搞清楚。例如，宇宙紫外背景光子的存在可能會使得小暗暈中的恒星形成被抑制。而另一方面，超新星爆發(fā)則可能會把相當(dāng)質(zhì)量的氣體推出暗暈的核心區(qū)域，從而使得暗暈的物質(zhì)分布發(fā)生改變，變得更容易被潮汐作用打散。這種種的物理機制都可能是造成“星系丟失”的真正原因。

圖2 暗暈示意圖。在大暗暈中存在很多星系，這就是我們在觀測中看到的星系團(tuán)或星系群。這些星系中最大的那個往往在暗暈的中心，被稱作中心星系，而其他的被稱作衛(wèi)星星系。衛(wèi)星星系一般存在于子暗暈中。

而另一方面，標(biāo)準(zhǔn)冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型有錯的可能也同樣吸引著很多人的注意力。冷暗物質(zhì)宇宙中之所以形成的第一批暗暈都是小暗暈，是因為冷暗物質(zhì)在宇宙早期動能太低無法和引力抗衡。即使很小尺度的密度擾動，也會塌縮形成暗暈。而有一些暗物質(zhì)粒子的候選者比如惰性中微子（sterile neutrinos），可能具有不那么“冷”的特性。這樣的暗物質(zhì)粒子在宇宙早期具有一定的動能，抑制了小質(zhì)量暗暈的形成，但又不至于破壞星系形成的大圖像。這樣的暗物質(zhì)被稱作“溫暗物質(zhì)”。溫暗物質(zhì)宇宙中的結(jié)構(gòu)形成，在大尺度上和冷暗物質(zhì)宇宙并無明顯差異，但在小尺度上卻能自然地解釋很多觀測現(xiàn)象。例如，溫暗物質(zhì)宇宙中形成的小質(zhì)量子結(jié)構(gòu)數(shù)目會顯著少于冷暗物質(zhì)宇宙。這也可能是“丟失星系問題”的真正答案。

圖3 冷暗物質(zhì)宇宙(左)和溫暗物質(zhì)宇宙(右)數(shù)值模擬中形成的暗暈?？梢钥吹綔匕滴镔|(zhì)數(shù)值模擬中子暗暈的數(shù)目顯著減少(Lovell et al. 2012)。

圖4 夏威夷凱克10米望遠(yuǎn)鏡觀測的引力透鏡系統(tǒng) JVAS B1938+666。中心的亮斑是一個橢圓星系，距地球98億光年。背景星系的圖像被這個橢圓星系所扭曲，形成了愛因斯坦環(huán)。而子暗暈的存在，使得愛因斯坦環(huán)顯得不那么均勻。

那么究竟哪個解釋是對的呢？最直接的判斷方法當(dāng)然是把暗暈都找出來，稱一稱重量，數(shù)一數(shù)個數(shù)。但我們都知道，暗物質(zhì)無法通過通常的方法觀測。當(dāng)前觀測暗物質(zhì)分布的最實用方法只有引力透鏡。暗物質(zhì)雖然不發(fā)出電磁波，但是它卻可以通過引力效應(yīng)被感知。暗暈的引力場會改變它背后星系發(fā)出的光線的行進(jìn)路線。如果在觀測者和遙遠(yuǎn)星系之間存在著暗暈，則觀測到的遙遠(yuǎn)星系圖像會被暗暈引力場扭曲。這就是引力透鏡效應(yīng)。當(dāng)暗暈和遙遠(yuǎn)天體在天球上的角距離越近，這種引力透鏡效應(yīng)也越強。有時候，觀測者會看見同一個星系的好幾個像。有的時候，星系的像被拉得很長，變成一條長弧。當(dāng)星系、觀測者和暗暈成一條直線的時候，遠(yuǎn)處的星系會被引力透鏡效應(yīng)扭曲成一個環(huán)，這就是所謂的愛因斯坦環(huán)。天文學(xué)家通過研究這些扭曲的星像，可以反向推知暗暈的物質(zhì)分布。但是利用這樣的方法依然難以看到子暗暈的存在，這是因為子暗暈實在太小了。所有子暗暈的質(zhì)量加起來也不過占了主暗暈質(zhì)量的5%左右。只有在某些特殊的情況下，例如，當(dāng)子暗暈靠近愛因斯坦環(huán)或者長弧的時候，它的引力效應(yīng)會在已經(jīng)扭曲的星像上添加一個更小的扭曲（如圖4）。這就為天文學(xué)家打開了一扇探測這些小結(jié)構(gòu)存在的窗戶。2012年維蓋提（Vegetti）等人在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表文章，宣布在一個具有愛因斯坦環(huán)的引力透鏡系統(tǒng)（JVAS B1938+666)中發(fā)現(xiàn)了一個質(zhì)量極小的子暗暈。這個暗暈的質(zhì)量被估計為108倍的太陽質(zhì)量左右。這樣小的暗暈的存在，已經(jīng)對暗物質(zhì)的溫度上限有了約束。如果人們能夠發(fā)現(xiàn)更多的子暗暈，將最終有望徹底解決這一問題。