矮星系群：宇宙標準模型缺失的一塊拼圖

撰文 | 香農·斯蒂羅恩（Shannon Stirone）

翻譯 | 杜立配

包括銀河系在內的很多大星系，周圍都環繞著一些更小、更暗淡的矮星系。有的矮星系年齡幾乎和宇宙一樣大，由一些沒有被更大星系所吸納的古老恆星構成；還有一些則更為年輕，由大星系相互碰撞、撕扯後的殘留物演化而來。對這些尺寸較小的矮星系進行研究，是天文學家了解星系以及其他大尺度宇宙結構產生、演化的最好方式之一。而研究宇宙大尺度結構，又是了解我們所在宇宙的基本原理的最好方式之一。

從某些方面說，觀察矮星系環繞更大的主星系運動，就像觀看蜜蜂圍繞蜂巢嗡嗡飛舞。矮星系就像蜜蜂，運動時似乎漫無目的——時上時下，時左時右，沒有明顯規律可循。然而，事實上，二者的運動又都遵循著某種隱藏的規則。攜帶著花朵香味與信息素的氣流，驅使著蜜蜂在蜂巢附近飛舞，而在某種程度上，矮星系的運行軌道，則被另一種更為神秘的事物——暗物質產生的引力——所支配。由於暗物質不會發光，這種理論預言的、不可見的物質，更多地只能被感受到，而不是被觀察到。科學家只能通過被暗物質彎曲的時空推測它的存在。初步研究表明，暗物質的分布構成了某種宇宙網（cosmic web）結構，而或大或小的星系則被引力束縛在暗物質的纖維狀或片狀的結構之中。「暗物質構成的這張網，可以從各種角度和方向與主星系相連，這也是其周圍矮星系的軌道和運動方式如此多樣的原因。」瑞士巴塞爾大學博士研究生奧利弗·穆勒（Oliver Müller）解釋說。

在發表於2月2日《科學》（Science）雜誌的封面文章中，穆勒及同事繪製了16 個矮星系圍繞它們的「蜂巢」——半人馬座A（Centaurus A，一個距銀河系1000 多萬光年的大型星系）的運行方式。他們驚訝地發現，其中有14 個矮星系軌道不是隨機排列的，相反，它們排列成共面結構，也就是說，這些星系的軌道平面是重合的，就像蜜蜂沿著一組有序排列的圓環繞蜂巢飛舞。穆勒的模擬結果還顯示，這種排列是完全偶然的概率只有0.5%。

不過，儘管穆勒認為，這種矮星系共面排列的方式十分罕見，但是科學家以前也曾觀測到過這種結構。實際上，一些流行的理論認為，每10個矮星系中就應該有1 個會遵循某種特定的排列方式，至少計算機模擬結果是這樣顯示的。

「這項研究的獨特之處在於，它首次在我們本星系群之外觀測到了矮星系共面排列，所以非常有趣。」英國達拉謨大學的宇宙學家卡洛斯·弗倫克（Carlos Frenk）評論道。弗倫克還指出，之前在銀河系與仙女座（Andromeda）都觀測到過共面矮星系，但環繞半人馬座A的這14 個共面矮星系，是第一次在更遠星系中發現。

穆勒及同事在論文中表示，如果矮星系共面排列的方式如果十分普遍，將會對宇宙學家關於星系及星系團產生及演化的「標準模型」——宇宙的Λ-冷暗物質模型（Lambda cold dark matter，ΛCDM）形成挑戰，因為該模型認為矮星系應該是隨機排列的。簡單來說，如果發現更多的這種共面排列的矮星系，就意味著我們對暗物質的了解，比我們想像的還要少得多。不過，弗倫克對此仍持懷疑態度，他指出，ΛCDM模型與數十年來的大量實驗觀測結果都吻合得很好。「標準模型非常成功，它不會一下子就折在這項研究手裡的。」弗倫克說「新研究很有趣，但目前還不至於威脅到現有的宇宙學圖景。」

不幸的是，對矮星系進行更為完整的統計調查，至少需要數十年時間。因為測量遙遠星系遠離或者靠近我們的速度比較容易，但測量其橫穿天球的速度則十分困難。另外，矮星系尺寸極小、也十分昏暗，從銀河系發現遙遠的它們本身就並非易事。所有這些因素，都會影響對數據的觀測，以至於難以區分矮星系是共面還是無序。所以目前科學家只能使用多種相輔且耗時的方法，去尋找並研究矮星系。

同時，類似的有趣觀測應該會有助於完善ΛCDM模型，而不是推翻它。在同期發表於《科學》雜誌的評論文章中，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的天體物理學家邁克爾·博伊蘭-科爾欽（Michael Boylan-Kolchin）指出：「ΛCDM模型經受過諸多檢驗，它仍然還是宇宙學的標準模型。我相信這一次也不例外。但是，我也認為，針對所有可能的矛盾之處進行全面的研究也非常重要。雖然可能性非常小，但只要發現當前理論存在瑕疵，我們就需要從根本上對其進行修正，只能這樣，理論才能一直保持活力。」

穆勒還提到，他計劃在未來幾個月利用位於智利的「暗能量相機」（Dark Energy Camera）對半人馬座A進行研究，以期發現更多的矮星系。他說，「我們應該對矮星系的軌道進行更深入的研究，我希望證明矮星系軌道共面並非出於偶然。」

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