“看不见”的星系究竟有多少？从卫星星系到暗

 　　设立在南美洲智利境内海拔超过5000米的阿塔卡马沙漠之中，ALMA是“阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列”的英文缩写，这是一座由66面射电天线组成的庞大阵列

　　ALMA望远镜拍摄的SDP81星系图像，这是一个距离地球约120亿光年的遥远星系，此前在2010年，由赫歇尔空间望远镜的图像中，它看上去只不过是一团模糊的光点 　　 北京时间6月1日消息，据英国广播公司(BBC)网站报道，亚沙·赫萨维(Yashar Hezaveh)此前就已经听到了一些传言。而现在，他走进一间小屋子，在第二排一个座位上坐下来，他想证实自己听到的那些传言是否是真的。   　　120亿光年外的模糊星系   　　赫萨维是一名天文学家。这是2015年1月份的一个普通的日子，寒冷而阴沉。美国华盛顿州西雅图，天文学家们正准备出席一个属于世界上规模最大之一的天文学会议。他们都很想看看新的ALMA望远镜拍摄的第一张照片效果如何。ALMA是“阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列”的英文缩写，这是一座由66面射电天线组成的庞大阵列，设立在南美洲智利境内海拔超过5000米的阿塔卡马沙漠之中。   　　这一巨型阵列拍摄的最早一批照片将显示其观测能力。赫萨维听说，在该设备最初拍摄的一批高分辨率图像中，将包括一个编号为SDP81的星系，这是一个距离地球约120亿光年的遥远星系，此前在2010年，由赫歇尔空间望远镜的图像中，它看上去只不过是一团模糊的光点。   　　赫萨维是一位美国斯坦福大学的研究人员，他急切想要知道的是这首批图像的拍摄质量。多年以来，他一直在利用计算机模型方法模拟类似SDP81这样的星系在ALMA望远镜的图像中可能会呈现的模样。现在，他很想知道自己长期以来所做的模拟是否是准确的。   　　如果事实证明他们的模拟结果是准确的，那么接下来他们就有的忙了。天文学家们正致力于寻找那些类似SDP81这样隐藏在照片之中不容易被注意到的矮星系。矮星系常常是容易被忽略的，几乎是无法被观测到的。但尽管如此，它们的质量产生的引力作用仍然会留下蛛丝马迹。加州大学洛杉矶分校的天文学家托马索·特鲁(Tommaso Treu)指出：“我们无法观测到这些矮星系，但由于引力的缘故，我们知道它们在那里——这听上去真的很酷！”   　　了解这样的矮星系究竟是否的确存在，以及如果它们的确存在，那么它们的数量有多少？这些对于解决一个宇宙学中的重大问题都至关重要，那就是：究竟是什么物质组成了我们所在的宇宙？同样将要面临严峻考验的还包括目前我们所拥有的关于宇宙形成的最佳理论。尽管已经有了数十年来的巨大成功，该理论仍然存在一些缺陷。而这些问题的答案可能就与宇宙中隐藏的矮星系有关。   仙女座大星系和它的两个较大型的卫星星系 　　卫星星系   　　当你想到星系的时候，你的脑海中显现的画面可能是类似我们银河系这样的星系景象：一个巨大的旋涡状圆盘，其中包含数以千亿计的恒星，就像一座宇宙大风车。但矮星系有所不同，相比之下它们更小，也更加暗淡，有些甚至只包含有稀稀拉拉很少数量的恒星。   　　天文学家们认为很多矮行星可能是孤独漂浮在宇宙空间之中的，但也有很大一部分矮行星隐藏在大型星系的周围区域，围绕大型星系公转，成为后者的所谓“卫星星系”，就像卫星围绕行星公转，行星围绕恒星公转那样。   　　比如说银河系的周围，根据目前的观测，就已经确认有超过50个的此类矮星系。这些卫星星系相比银河系而言显得非常渺小，其质量比银河系一般要小1万倍以上，其中有些矮行星中甚至只含有数千颗的恒星。   　　就像在所有其他星系中一样，恒星都是被暗物质包裹着的，后者是构成宇宙超过1/4强的神秘物质，我们目前对于其性质与本质几乎仍然是一无所知。暗物质构成了矮行星质量的绝大部分，提供了维持矮星系稳定存在的“引力胶水”。   　　银河系最大的两个卫星星系分别是大麦哲伦星系和小麦哲伦星系，它们两个在南半球使用肉眼就能清晰看到。而其他的卫星星系则显得非常暗淡，只能用望远镜进行观察。   　　到20世纪中叶的时候，天文学家们已经在银河系周围发现了超过10个卫星星系，但其余绝大部分的卫星星系仍然一直没有被发现，直到最近10年才有较大的改观，因为现代化巡天计划的执行大大提升了卫星星系的发现效率。   银河系及其周围目前已知的一部分卫星星系分布示意图 　　卫星星系失踪之谜   　　这是一项重要的进展，因为在1990年代晚期，当时天文学家们陷入了一场危机。因为在计算机模拟得到的卫星星系理论数量以及实际观测到的卫星星系数量之间存在着显著的不对应性。当时科学家们一共在银河系周围发现了十几个卫星星系，但这与根据天文学家们引以为豪的宇宙学理论：冷暗物质模型(CDM)得到的理论结果相差甚远。   　　该理论认为暗物质是“冷的”：意思是暗物质粒子在宇宙中运行的速度是慢的(当然这里说的慢是相对光速而言的)。正是因为在早期宇宙时期这些粒子并没有做高速运动，因此这些粒子相互之间的引力作用能够使他们聚集成为体积较小密度较大的团块。这些质量团块产生的引力作用吸引周边的气体物质并最终导致了恒星的产生，由此终于形成一个矮星系。随着时间推移，这些矮行星之间有时候会相互合并，最终形成了类似银河系这样的大型星系。   　　詹姆斯·巴洛克(James Bullock)是美国加州大学尔湾分校的天体物理学家，他说：“冷暗物质模型本质上指明了这样一个原则，那就是规模较小的结构会先形成，随后通过相互合并来形成规模更大的结构或者天体。”   　　如果这一观点是正确的，你将看到的宇宙中就应该存在很多规模较小的团块结构，相比之下质量较大的团块结构就要少得多。事实上，这类团块的质量越小，它们的数量就应该越多。   　　到目前为止，该理论在对大质量团块的数量和质量预测上非常成功，这里所谓的大质量团块通常来说指的就是大型星系和星系团。但天文学家们目前还需要对该理论在小型星系或者矮星系方面应用的准确性进行检验。   　　更为重要的是，这一理论如果是正确的，那就意味着在一些大型星系，比如银河系的周围空间里可能存在着数以千计，甚至数十万的矮行星正在围绕大型星系公转。当然对于那些遥远的大型星系来说，围绕它们运行的可能存在的矮星系就会显得太远太暗，因此难以使用望远镜观测到。但即便是围绕银河系周围空间，天文学家们目前也只找到了数量相对来说非常少的卫星星系，这种理论与实际观测之间的明显不符合情况被称作“卫星星系失踪之谜”。   引力透镜成因示意图：后方背景星系的光线被前景大质量星系引力场弯曲，效果就像经过了一个凸透镜 　　检验冷暗物质模型   　　在过去的20年间，这种观测与理论之间的隔阂相对减轻了，因为观测已经发现了数量更多的卫星星系。但尽管这一问题已经有所缓解，但它并未消失。   　　特鲁指出：“一些人在说：问题解决了。我们不需要对此感到担忧，那些卫星星系是存在的，问题只不过在于怎么找到它们。”他说：“但我们现在面临的问题就在于：我们还没能找到理论上应该可以找到的那数以千计，甚至数以十万计的卫星星系。”   　　如果卫星星系被证明是不存在的，那么CDM理论模型将被证明是错误的，或者至少可以说是不完备的。巴洛克表示：“这也就是为何进行这样的预测是如此的意义重大，为何努力找到那些卫星星系如此重要——实际上你正在对冷暗物质模型进行一场检验。”   　　当然还有另外一种可能性，并且这种可能性并不需要推翻或者改变CDM模型。简单来说就是：卫星星系的确存在，但是其中包含的恒星太少了以至于无法被观测到。毕竟这一理论本质上预言存在的也就不过是一些非常暗淡，规模很小，甚至不包含恒星的物质团块，称为“子晕”(subhalos)。   　　这也就是说，矮星系原本只应该是简单的子晕团块而已，其中可能会有少数的恒星形成。但至于其中会有多少恒星形成——如果有的话，则又是另外一个复杂的问题了。   　　检验CDM模型这一预测的最直接方法之一就是直接对这些团块结构进行观察，不管它们内部有没有恒星。但这样做的唯一途径就是对其质量对周边环境产生的引力效应进行观测。    　举例而言，在银河系周围，如果观察到从一个卫星星系中被拉出的一串细细的恒星星流结构，这可能就暗示在其附近存在一个子晕团块，或者说卫星星系。但这样的星流结构是如此罕见而昏暗，非常难以观察。   　　为了更好地限定子晕和矮星系的存在，天文学家们必须尝试在其他星系的附近搜寻它们的踪迹。赫萨维表示，在这样的情况下，唯一可能的方法就是观察它们的引力场可能对光线传播造成的扭曲，从而间接推断其存在。   哈勃望远镜拍摄的编号为星系团SDSS J1038+4849。整幅画面看上去就像一个有趣的笑脸 　　引力透镜效应   　　回到我们故事的开端：但经过一段时间的等待之后，赫萨维和其他天文学家们终于看到了ALMA阵列拍摄的最初一批图像。正如传言所言的那样，ALMA的确拍摄到了SDP81的图像，可以观察到从这个星系变成了两个明亮的光弧，就像火焰。   　　很显然，来自这个星系的光线被一个距离地球更近，因而位于我们观察视线前景位置的星系的引力场扭曲了。就像一个巨大的凸透镜，前景星系的引力场效应增强了SDP81星系的亮度，将它的形状扭曲成弧形，并且在这一特定情况下，将其影像撕裂，一分为二。   　　此次拍摄到的新图像的分辨率与赫萨维在计算机模拟中得到的一样好。他回忆道：“那真是妙极了！对我来说，那真是一个激动人心的时刻。”   　　在发布会上，这张图像只是展示了几秒钟的时间，刚好够赫萨维抓拍一张照片。随后他立刻将拍摄的照片发给了自己的同事们。   　　赫萨维知道，有了这样的高分辨率图像，他将有机会搜寻其周围空间中隐藏着的子晕结构。如果有一个卫星星系存在于前景星系的周围，那么它的引力场会造成在前景星系对光线扭曲效应基础上的二次扭曲，就像凸透镜上被滴了一滴水地。但这样的扭曲将是极其微弱的，因此必须依赖于复杂的算法才能从中进行识别。   　　在过去的一年里，赫萨维和他的同事们使用专门技术对SDP81星系的图像展开分析。通过将观测图像与他们的计算机模拟结果进行比对，他们能够推断出该星系周围是否存在卫星星系，以及它的质量。很快，他们便识别出一个子晕结构，其质量约为太阳质量的10亿倍左右。特鲁本人并未参与这项工作，但他对此评论道：“这是一项巨大的技术，计算机和科学成就。”   　　这也不是天文学家们第一次借助所谓引力透镜效应去搜寻子晕结构了。但这一最新研究的不同之处就在于，其使用了强大的ALMA阵列望远镜，其工作波段主要是在比红外光更长的波段区间。这一波段的辐射主要来自温暖的星际尘埃，它们遍布背景星系SDP81。   　　而相比之下，前景星系内则几乎不含尘埃，这就意味着对于ALMA望远镜来说，前景星系几乎是不可见的。于是在它的观测视野中，就不会存在来自前景星系的明亮干扰，也因此能够让天文学家们得以对背景星系开展更加细致的研究和分析，并以前所未有的详细程度开展相关研究。   　　另一个关键的方面在于，研究人员能够利用这一方法对搜寻这一星系周围其他可能存在的更小的子晕团块结构，那是CDM模型预言存在，但却尚未得到证实的重要线索。   　　尤其是，天文学家们展示了他们在理论上有能力找出质量仅相当于太阳质量大约1000万倍左右的小型子晕团块，这比他们实际已经找到的子晕案例的质量还要低100倍。特鲁指出：“于是事情开始变得更加有趣了。”   暗物质构成整个宇宙大约1/4的成分，但我们对其本质几乎一无所知 　　温暖的暗物质？寒冷的暗物质？   　　之所以这样说，是因为关于暗物质存在一些不同的理论，而这些理论对于这类小质量子晕结构的数量多少有着完全不同的预测。   　　举例来说，如果暗物质是“温暖的”而不是“寒冷的”。那么从定义上说，这就意味着暗物质粒子在早期宇宙中应该运行的速度会比较快，也就难以聚集成为团块结构。因此，通过对今日宇宙中这类小型引力团块数量的统计，我们将能够推断暗物质究竟是“温暖的”还是“寒冷的”。   　　巴洛克表示：“如果你发现这类暗物质团块的数量很多，那么这就相当于给温暖暗物质理论宣判了死刑，这是毫无疑问的。那将是冷暗物质模型正确性的确凿证据之一。”   　　但为了搜寻到更多数量的子晕结构，天文学家们需要对更多的引力透镜星系进行观测。但一直到最近，这样的观测已经陷入停滞，他们只对很少几个案例进行了观测。好在这种状况可能很快就将得到改变。   　　赫萨维表示：“我们感到兴奋的是，这是我们研究的引力透镜事件中，首次有观测图像的分辨率恰好与我们的模拟结果相类似的情况。”这个星系本身显示出团块结构，让赫萨维的小组得以从中识别那些由周围的子晕结构产生的微小的扭曲效应。   　　他回忆道：“当我第一眼看到那些美妙的纤细光弧，以及这个星系图像中显示的细微团块结构迹象时，我就知道这一定会非常有趣。”而如果ALMA的首批图像质量如此优异，后续的观测也就非常值得期待了。特鲁表示：“这是一项令人难以置信的杰出工作，现在终于开始得到回报。但这还只不过是开始。”   　　就在几年之前，天文学家们仅仅掌握大约150例引力透镜效应的案例，但这一数字目前正在快速增长。在最近几年里，赫萨维和同事们利用南极望远镜已经新发现了另外的超过150个引力透镜案例，而利用其他望远镜预计也将能够找出另外的数百个新案例。   　　而与此同时，ALMA望远镜则非常适合对这类目标进行高分辨率的后续观测工作。因此，赫萨维的研究组非常希望接下来能够利用这台新的强大观测设备对更多的引力透镜案例进行观察，并搜寻其周围可能存在的子晕团块结构。通过几年时间的努力，对尽可能多的星系案例进行分析，他们希望能够获得足够多的数据，能够解决所谓的“卫星星系失踪之谜”，从而大大加深我们对于暗物质本质的理解。   　　巴洛克表示：“今天，我们将迎来这种方法的黄金发展期。未来几年将非常值得期待。”