所有星系都是每10億年轉一次？看科學家如何解釋「宇宙之鐘」
文章來自：科學大院
作者：左文文
近日，天文領域一篇名為「宇宙之鐘：中性氫選取的星系中半徑與速度的緊湊關係」論文（英文標題是「Cosmic clocks: a tight radius-velocity relationship for HI-selected galaxies」，以下簡稱「該工作」）引起了人們的廣泛關注，該工作稱星系的旋轉像時鐘一樣，時間是固定的。而一些新聞媒體則報道稱，「天文學家已經發現，所有的星系每10億年都自轉一次，不管它們多大。」
筆者讀到新聞中的結論，心中不禁打了幾個問號:所有的星系？自轉周期均為10億年，是指星系內側還是外側？這個有意思的結論，對星系形成和演化的理解帶來了怎樣的推動呢？情況如何，讓我們來梳理下這項工作。
星系半徑：星系研究的窗口
星系是由很多恆星、氣體等在引力作用下組成的一個系統。我們的銀河系就是一個星系，內含3000多億顆恆星。星系有質量大小之分，體積大小之分。不同星系間的性質有什麼異同？星系是如何誕生、演化的？這些都是天文學家們關心的問題。
如何解答這些問題呢？天文學家們通常從相關性研究入手，先定義能描述星系性質的幾個參數，再看看它們之間具有怎樣的相關性，是否如理論或數值模擬的那樣？
該工作中運用的兩個參數也是天文學家們使用多年的參數——速度和星系的半徑。
從星系的圖片並不能清晰地確定星系邊緣，所以星系的半徑測量起來困難重重。天文學家定義了有效半徑，即從星系中心到有效的半徑範圍內包含了星系總光度的一半。光度指星系每秒鐘輻射的總能量，表徵了星系的發光本領。
圖1 有效半徑Re的定義示意圖，圖片來源：網路
而該工作運用了一種新方式來定義星系半徑——星系的最大探測半徑，通過繪製星系內單位面積的亮度（面亮度）隨著距星系中心的遠近的變化圖解，選擇面亮度下降的趨勢開始變得平緩的臨界半徑作為最大探測半徑。
圖2 星系NGC 4365和NGC 5447的面亮度隨著星系內到中心距離的變化，Rmax取趨勢開始變平緩的臨界半徑，可以看出藍線對應的Rmax比紅線對應的Rmax更大。圖片來源：http://spiff.rit.edu/classes/phys443/lectures/gal_2/gal_2.html
該工作從星系的中性氫譜線獲取速度。你一定還在好奇中性氫是什麼？別急，這就慢慢道來。
中性氫，波長為21厘米，頻率是1420.406赫茲，源自中性氫原子的能級躍遷發出的光子。中性氫原子由原子核（只有一個質子）和電子組成。處於基態的氫原子中，電子自旋所產生的磁矩和質子自旋所產生的磁矩的方向可能相同或反向，兩者相同時能量更高。兩者的狀態從磁矩同向躍遷至磁矩反向時，就會釋放光子，也就是21厘米中性氫輻射。
實際上，發生自發躍遷的概率非常非常低，在沒有外界干擾情況下，每長達1100萬年才會發生一次這樣的躍遷。但由於星系中的中性氫豐富，所以輻射21厘米譜線不是問題。21厘米譜線也是射電天文觀測到的第一條譜線，是研究星際中性氫原子分布、星繫結構的重要手段。順便再發散下，著名的以搜尋地外文明的SETI計劃曾希望接收中性氫信號，來分析尋找地外文明。為什麼要選擇中性氫21厘米譜線，據說一個原因是有部分科學家認為，既然中性氫如此普遍，外星文明肯定知道，如果他們夠聰明，說不定已成功使用中性氫作為一種傳遞信息的方式。
言歸正傳，這篇文章基於一個合理的假設：假設星系中的中性氫分布在旋轉主導的星系盤上，故中性氫的最大速度能反映星系外盤邊緣的旋轉速度。
旋轉速度與星系最大半徑的關係
天文學觀測可分為兩大類，往廣看和往深看。往廣看，就是基於同一方法和設置，對全天或部分天區進行系統性觀測，稱作「巡天觀測」。
該工作就選取了分別來自於巡天觀測的數據——從SINGG巡天數據中選取了71個星系，從SUNGG中選取了87個星系，以及來自於Meurer, Zheng & de Blok （2013）所研究的20個星系。SINGG和SUNGG樣本的星系位於距離6.5億光年以內的近鄰宇宙內，而第三個樣本的星系位於6500萬光年以內的近鄰宇宙內。
他們根據觀測數據，推算出每個星系的最大半徑Rmax和旋轉速度，然後看看它們之間在對數坐標下具有什麼關係，結果就看到彌散小的線性關係，也就是說星系越大，旋轉速度也越大。而旋轉速度與半徑之間的比值卻是幾乎一致的，這就意味著星系盤邊緣轉動一圈所需要的時間，數值上約為10億年。
圖3 SINGG樣本中的星系最大半徑Rmax和速度V在對數空間下的線性關係
這便是媒體新聞上所說的，不管一個星系是非常大還是非常小，如果你可以坐在它旋轉的圓盤的邊緣,它將會花費你大約10億年的時間來繞一圈。
不過要注意的是：
1. 旋轉速度和星系半徑之間的線性關係，並不是首次發現，但此次發現的線性關係更加聚集，即彌散更小。在之前的研究中，天文學家們就已經發現過星系的光度和速度的四次方成正比；而盤的半徑與光度也有正相關，這與盤的形成、演化機制等有關；因此速度和盤的半徑之間存在相關性也可預期的。之前觀測上也看到了速度與盤的半徑之間接近線性關係，但彌散比較大。
由於之前的工作所得到的關係偏離線性比較大，因此也就沒有進一步給出量化的周期，而這篇文章卻進一步有理有據地提煉出，近鄰宇宙中甭管星系多大，盤外圍的氣體繞轉一圈所需的時間約10億年。也正是這樣眾人都能讀明白的結論引起了媒體的關注。天文界關心的更是為什麼存在這個相關性。一些天文學家認為，這個工作所獲取的緊緻的線性關係很有意思，目前理論上還沒有細緻的解釋，值得深入探究；但也不會對現有星系形成和演化理論帶來顛覆性的重新認知。也許後者是該工作沒有讓天文學家萬分激動的主要原因吧。
2. 這篇文章得到的結論是基於近鄰宇宙的星系，且以富含中性氫的盤星係為主；也用光學波段巡天挑選出的星系樣本進行測試，因此也許可以推廣至盤星系，但並不能直接推廣至全宇宙的所有星系。
3. 推算出的時間約10億年，指的是盤外圍（邊緣區域）氣體圍繞中心的繞轉周期，不能直接理解為星系的自轉周期。星系內的氣體圍繞中心繞轉的周期並不相同，是較差自轉的，一般來說，距離星系中心越遠，繞轉周期約長，即繞轉得更慢。
這篇文章還有其它值得注意的結論，比如在最大半徑處，樣本中各個星系內，氣體和恆星的質量面密度相似——約每平方秒差距中擁有0.5倍太陽質量。這表明，在外盤現有的恆星形成率下，形成現在外盤的恆星需要1500億年，遠超過宇宙的年齡，因此大部分恆星可能並不是在外盤形成，而是從內盤遷移或者從星系外吸積而來。最大半徑與盤尺度之間的比值與盤的整體塌縮模型預言相一致，但仍然不確定的是，盤的尺度受什麼過程決定，是連續的吸積、快速初始塌縮模型，被動演化還是這些過程的綜合貢獻？
致謝：感謝國家天文台的鄭征老師和加州大學聖克魯茲分校的博士後黃嵩提出的寶貴意見。
參考文獻：
https://academic.oup.com/mnras/article/476/2/1624/4925565
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