大宇宙系列四：銀河系的家園——本星系群

大、小麥哲倫雲是離銀河系最近的鄰居，也是南半球天空的主宰。而在本星系群里，還住著許多其它衛星星系。（圖片來源：ESO/BABAK TAFRESHI）

天文學家Andrew Fox把銀河系比作山頂上的村莊。他說：「在夜晚，你能看到鄰近兩個村子裡燈光閃耀。它們分別是大、小麥哲倫雲和更遠處的仙女星系。很久以來，它們就是除銀河系之外，我們僅知的幾個星系。然後，忽然有一天，有人把兩塊透鏡放到一起，製造出一台望遠鏡，用它環顧四周，發現周圍的山上還散落著許多小村莊，由此意識到需要重新描繪周圍的圖景。那就是本星系群——我們的家園。」

宇宙中除了銀河系，還存在其它星系。這樣的想法在絕大部分人類歷史中簡直是天方夜譚。畢竟，銀河系是我們的宿主星系。它的幾十億顆恆星成員妝點著夜空，在數千年里令觀星者沉醉其中，不能自拔。即使是現在，這個空間望遠鏡和靈敏照相機大顯其能的時代，無論是業餘愛好者，還是天文學家，很容易就將終身的時間和精力都用來研究銀河系及其行星、恆星和星雲去了。

不過，如果我們透過銀河系那稀薄的物質暈，向遠處稍稍一瞥，我們就能看見鄰近宇宙和演化中的星系展現出的精彩而豐富的景象。

在銀河系周圍，大約有85個星系在引力的束縛下聚集在一起，那就是本星系群。它的展幅大約是一千萬光年，其成員不僅有銀河系和幾個肉眼可見的明亮星系，還包括了許多非常小的星系。通過研究本星系群，天文學家能夠從整體的角度觀察星系，不再局限於從星系內部去理解星系的物理性質了。

埃德溫·哈勃在1936年第一個列出本星系群的成員名單。當時，已知成員有銀河系、大、小麥哲倫雲、仙女座星系（M31）、M32、風車星系（M33）、NGC147、NGC185、 NGC205、NGC6822、IC1613，可能還有IC10。自那以後，不斷有新的小星系加入進來，本星系群的成員數目也隨之膨脹至85個。圖中的距離單位是光年。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

追隨氣流

地球上的天文學家可算是佔盡地利，可以近距離地觀察本星系群中的星系形成。比較弱小的星系常常與質量更大的星系發生碰撞。小星系裡本就貧乏的氣體和塵埃儲備被大星系吸收。矮不規則星系，如其名所示，質量偏小且缺乏規則的形狀。它們看上去毫不起眼，就像是一團恆星混雜體——似乎眨眨眼，你就找不到它們了——而且沒有旋臂。本星系群里的矮不規則星系只有幾千個恆星成員。與坐擁數千億顆恆星的銀河系相比，它們是徹徹底底的小不點。即使如此，天文學家仍然熱衷於更好地理解宇宙中這些不重要的恆星系統。

耶魯大學的天文學家Marla Geha專門研究矮星系的起源與演化。她解釋說：「通過研究群體中的極端個體，我們能夠增進對整體的了解。」

在本星系群里，體型最大、名氣也最大的矮不規則星系非大、小麥哲倫雲莫屬。它們看上去就像是南半球夜空中的兩團模模糊糊的斑塊。大、小麥哲倫雲可是神話傳說中的名角：在澳大利亞原住民世代相傳的故事裡，它們被描繪成一男一女、獵人、或者是虹彩吸蜜鸚鵡（當地的一種小鸚鵡）的灰燼。大、小麥哲倫雲離我們分別16萬光年和20萬光年遠，這兩個距離略大於銀河系的直徑。因為離得比較近，科學家能夠分辨出其中的恆星個體，對它們倆略知一二。

「同研究許多恆星的混合星光相比，研究恆星個體的運動和物質構成能讓我們更加準確、更細緻地理解星系的形成過程。」Geha說。

大麥哲倫雲離我們很近，天文學家能夠分辨出其中的恆星個體。於是，這個矮不規則星系成為一個天然實驗室，讓我們研究星系的形成。（圖片來 源：NASA/JPL-CALTECH/M. MEIXNER(STScl) & THE SAGE LEGACY TEAM）

哈勃空間望遠鏡拍攝的圖像顯示，在大麥哲倫雲中，有正在密集地形成恆星的團塊，可能是球狀星團的前身。其中一些新形成的恆星，其質量可能高達100倍太陽質量；它們極其明亮，發出猛烈的星風，把周圍的氣體吹成氣泡和氣流狀。這些激烈的恆星形成區能讓我們更好地了解大質量恆星的形成——在位於本星系群外的、非常遙遠的星系內部，這個過程也常常上演。

雖然大、小麥哲倫雲被銀河系的引力束縛著，但它們是已經圍繞銀河系轉了好幾圈，還是第一次墜入銀暈？天文學家仍然莫衷一是。

美國空間望遠鏡研究所的天文學家Fox說：「我認為這個問題尚無定論，這主要是因為我們還不確切地知道銀河系的總質量。這意味著我們也無法精確地知道銀河系的引力大小，而後者直接影響著大、小麥哲倫雲的運動軌道。」正是Fox把銀河系比作山頂上的村莊。

不管大、小麥哲倫雲已經繞銀河系轉了多少圈，我們可以確定的一個事實就是: 銀河系的引力正在把它們扯散。Fox與同事的研究顯示，銀河系正在剝離這兩個矮星系的氣體，並把其匯聚在一個叫做「麥哲倫流」的大質量雲團中。從地球上望去，這團氣體橫跨了近四分之一的天空。由於氣體是恆星形成必不可少的原料，銀河系正在奪取大、小麥哲倫雲的恆星形成資源，收為己有。

Fox說：「星系周圍有多少氣體，這些氣體又是如何落入星系，支援星系內的恆星形成的？這些問題是近幾年的研究熱點。」對麥哲倫流的觀測為天文學家提供了近距離觀察星系間氣體循環的機會。這些觀測表明，大質量星系就像食人族一樣，吞噬著質量較小的同類。

缺失的金屬和質量

在天文學家眼中，任何比氦重的元素都算是金屬元素。恆星就是製造金屬元素的工廠。它們制出的金屬有一些成為了星雲的組成部分，而星雲則是孕育後幾代恆星的地方。因此，星系裡金屬元素的豐富程度（即金屬丰度）隨著時間的推移不斷增加，至少對那些正在積極地形成恆星的星系來說是如此。平均來講，大質量星系的金屬丰度比小質量星系的金屬丰度高。

銀河系和仙女座星系（M31）是本星系群里質量最大的星系成員。它們的金屬丰度也是最高的。你手上戴的戒指、片刻不離身的手機、還有今早喝咖啡時攪拌咖啡用的勺子，都與這些金屬脫不開關係。

同為本星系群成員的不規則矮星系，其金屬丰度就低多了。天文學家把金屬丰度低的星系稱為「化學原初星系」——它們主要由氫和氦組成，就像大爆炸後不久的宇宙一樣。這些星系像時間囊：可以讓天文學家研究在被恆星製造的金屬「污染」之前，早期宇宙是什麼樣子。

天文學家在SEGUE（Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration）的觀測數據中真找到了這樣的星系。作為斯隆數字巡天的拓展項目，SEGUE在2004年至2008年展開全面的巡天觀測。天文學家對SEGUE的數據進行梳理，從中搜尋位置和速度相似的恆星，希望藉此找到用現在的望遠鏡無法看到的、既小又暗的新星系。2009年，美國和歐洲的科學家在SEGUE的數據中發現了一個極小的星系。這個被命名為Segue2的星系圍繞銀河系運動，但它的個頭卻只及銀河系大小的五百分之一。

由於Segue2離我們不遠——11萬4千光年，比銀河系的直徑還要小——天文學家能夠分辨出其中的恆星個體，並研究它們的金屬丰度。在天文學研究中，比起研究群體的平均情況，研究個體常常帶來新的發現。這一點很像體育學和政治學研究。密歇根大學和加利福尼亞大學歐文分校的研究人員使用智利的6.5米口徑麥哲倫望遠鏡，研究Segue2中最明亮的恆星（一顆紅巨星）的金屬丰度。他們發現，這顆恆星的金屬丰度出奇地低：只有太陽金屬丰度的千分之一。這些測量結果表明，Segue2沒有經歷過大量的恆星形成。其它觀測也證實了這一點。

加州理工學院的天文學家Evan Kirby正在研究Segue2。他說：「Segue2目前只有幾千顆恆星成員，而形成這些恆星卻花了幾億年時間。所以，它的恆星形成率平均值是每年形成0.00001顆恆星，真夠可憐的。」

不過，從另一方面看，Segue2也有其特別之處——它的質量（或者說缺乏質量）。絕大多數星系都含有大量的暗物質——一種與其它物質只有引力作用，既不發光、不反射光、也不散射光的神秘物質。像銀河系這樣的星系，其暗物質的含量是重子物質含量的十倍。相對來說，質量較小的矮星系含有更多的暗物質——其含量可以達到重子物質含量的一千倍之多。剛開始研究Segue2時，Kirby及其團隊預測它也含有大量的暗物質。他們使用夏威夷的凱克望遠鏡II研究Segue2中恆星的運動情況，由此推測出Segue2的暗物質含量與重子物質含量的比值不會超過300比1——遠低於預測值。

「比值小可能說明Segue2的一部分暗物質被銀河系剝掉了，」Kirby說。根據觀測結果，Segue2的總質量（包括暗物質在內）不高，只有20萬倍太陽質量。聽上去這好像是很大的質量，但實際上，比銀河系的總質量低了一千萬倍。

如果把銀河系比作大眾牌甲殼蟲車，Segue2充其量也只不過是車身上的一隻小瓢蟲而已。

「這些系統雖然具備了星系的所有屬性，但卻沒有幾顆恆星，很荒謬。如此小的星系也能形成，真令我驚奇，」Geha說。

而且，這樣的星系可能還不止一個。天文學家懷疑，本星系群的星系成員數目可能遠遠超過現在已知的85個。「我們每看見一個星系，就可能還有幾百個星系我們沒看見。」Kirby說。「公平地講，那些我們沒看到的星系，絕大多數可能連一顆恆星也沒有——只有暗物質——把它們稱為星系都成了問題。」

科學家們正在尋找類似這樣由暗物質主導的星系。在今年年初，以美國羅切斯特理工學院的Sukanya chakrabarti為首的天文學家團隊宣布，他們發現了四顆恆星，可能屬於本星系群中一個主要由暗物質構成的星系成員。

朝著M31而去

大、小麥哲倫雲、Segue2、以及其它幾個鄰近的不規則矮星系都被銀河系的引力束縛著。這在本星系群中並不少見。距離我們大約250萬光年遠的仙女座星系（M31）也有幾個衛星星系環繞左右。這個事實不怎麼令人驚訝，因為銀河系和M31是本星系群中質量最大的星系。

仙女座星系（M31）是本星系群中最大的星系，擁有大約一萬億顆恆星——超出銀河系的恆星數目兩倍有餘。上圖展示了它在紫外波段的模樣。（圖片來源：GALEX/ NASA/JPL-CALTECH）

「作為本星系群中質量最大的兩個成員之一，仙女座星系驅動著本星系群的大部分演化。」 華盛頓大學的天文學家Benjamin Williams解釋說。他的研究對象是近鄰星系中的恆星族群。實際上，有證據表明，M31與其衛星星系之間的互動可比銀河系多多了。 「它的恆星暈具有更多的結構，布滿星流，說明它過去經歷過不少激烈的事件，」Williams說，「它的衛星星系現在很少形成恆星，這也說明它們之間有較多的相互作用。」

在今年早些時候，美國聖母大學和威斯康辛-麥迪遜大學的天文學家報告說，發現M31被一大團氣體包裹著。藉助哈勃望遠鏡，他們看到這個氣體暈一直延伸到M31與銀河系間距的一半遠處，而且含有碳、氧和硅，其中一些元素可能是被從M31吞併的衛星星系中剝離出來的。

上圖是天文學家為慶祝哈勃空間望遠鏡25歲生而製作的。它是望遠鏡至今為止拍攝的最大的圖像，總共用了7000多次曝光才完成。這張全景圖展示了仙女座星系——離我們250萬光年遠的鄰居，從緻密的中心核球一直向外延伸到星光稀疏的外盤區域的圖像。（圖片來源：NASA/ESA/J. DALCANTON, B.F. WILLIAMS, AND L.C. JOHNSON(UNIV. OF WASHINGTON)/ THE PHAT TEAM/ R. GENDLER）

不過，證明大星系吞噬小星系不單單是為了讓人毛骨悚然的。「觀察一個矮星系被拉長，直至消散在銀河系或者M31那光滑的外圍區域，就是在實時觀看星系的成長過程。」Kirby說。像Kirby這樣的天文學家想要理解星系如何聚積質量，長成我們如今所見的模樣，而無需等待大約50億年去看銀河系和M31如何相撞。

「那場碰撞將毀掉銀河系和M31的旋臂，留下一個毫無特徵的橢圓星系，」Kirby說。但是，本星系群里的不規則矮星系命中注定不會遭遇如此猛烈的碰撞。「它們中的絕大多數會繼續圍繞它們的宿主星系運動——甚至是在『大碰撞『發生之後，它們的恆星成員也不會有什麼變化。

當銀河系與M31最終併合成一體，它們中心的超大質量黑洞將互相繞轉，同時釋放出大量的能量。然而，超大質量黑洞在本星系群中並不多見。在大約85個星系成員中，只有3個（銀河系、仙女座星系及其矮橢圓衛星星系M32）表現出中心有超大質量黑洞的跡象。而本星系群中質量最大的星系成員中也有它們仨的身影，這絕非偶然。「一般情況下，中心有黑洞的星系最少也有十億倍太陽質量。」Kirby解釋說。「而在本星系群中，絕大多數不規則矮星系最多只有一億倍太陽質量。所以，還沒有任何證據表明在它們的中心藏有超大質量黑洞。」

仙女座星系和銀河系共同主宰著本星系群，風車星系（M33）則以其四百億顆恆星成員位列第三。它也常常被認為是我們肉眼可見的最遙遠的天體。（圖片來源：ESO）

在本星系群中，同類相食的事件常常發生在大質量星系周圍。即使如此，一些星系似乎能夠獨善其身。旋渦星系M33，也被稱為風車星系，在本星系群質量最大的星系成員中，緊隨銀河系和M31之後，排在第三位。它圍繞M31運動，中心沒有核球——存在核球往往是以前經歷過星系併合的跡象。不僅如此，它的400億顆恆星成員排列成旋渦狀。這是一種脆弱的幾何結構，任何較大的引力作用都能破壞它。

NGC604是M33里一個巨大的恆星形成區。它的存在表明這個星系含有大量氣體。如果在過去某個時期，M31以某種方式剝離了風車星系的氣體，那麼，這些氣體必定早在NGC604形成第一批恆星之前幾百萬年就已得到補充。

「M33為我們提供了一個近鄰的研究對象，讓我們研究在幾乎不受衛星星系騷擾的星系中，星盤如何形成與演化。」Williams說。

在本星系群內遠離銀河系和M31的地方，星系相對來說過著離群索居的生活。在抵達更遠的星系團（它們本身也是體型更加龐大的室女本超星系團的成員）之前，這些星系是我們最後遇見的天體。雖然，在高性能望遠鏡和照相機的幫助下，天文學家如今甚至可以研究本超星系團中星系的複雜細部。但是，本星系群的星系成員們仍然像燈塔一樣吸引著我們的目光。

原文標題：How immense is the universe?

作者：Katherine Kornei 原文來自：Astronomy

編譯：京晶

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