我们的星系村庄

(原文发表于《中国国家天文》2014年10月。本来按照约定俗成的行业习惯,发表之后2个月我才能免费贴出来,但是杂志的编辑擅自删改了我文章中的很多文字,所以我有必要把真实的原文贴出来。再次吐槽编辑,删改文字没有和我商量,最后的清样也没给我看到。)

如果你吃过曲奇饼干的话,不妨想象这样一幅场景:一块曲奇饼干,从中间掰成两半,这两瓣饼干大小和质量都差不太多,掰开的一瞬间大量的饼干碎屑飘在两瓣曲奇附近,有些碎屑围绕着两瓣曲奇盘旋飞舞,有些飞的远一些,落在别处。

这样的画面,像极了我们的银河系所在的这个村庄,天文学上称之为本星系群,即银河系本身所在的星系群。星系群的绝大部分质量和恒星集中在银河系和仙女座大星系(M31身上,在这两个核心星系周围,还有着几十个尺度较小的矮星系不规则星系等等“饼干碎屑”。对于我们的银河系来说,这个家门口的世界是我们离开银河系后首先要体验的环境。这个环境在天文学上有着至关重要的意义,它是唯一一个可以精确测量的星系群环境,起到了联系更大的宇宙学环境和更小的恒星环境的纽带作用,在天文学上围绕着本星系群开展的这一系列的研究被称之为“近场宇宙学”。我们将从以下几个方面粗略地展现本星系群的特征。

村庄鸟瞰

笼统地说,这个村庄有两个大户人家,分别是我们自己的银河系,以及距离我们250万光年以外的仙女座大星系即 M31。银河系和 M31直径差不多都是10万光年作用,所以它们之间的位置比例关系就像是学生食堂里相邻两张桌子上的两个馅饼。这两个大户基本上就是本星系群的大部分恒星和大部分质量了。整个本星系群的范围大约是直径1000万光年,也就是银河系到M31距离的4倍。村庄里除了这两个大户以外,还散落着几十个小户人家。整个本星系群的引力中心位于银河系和M31之间的某处,这个1000万光年的星系群呈现出哑铃型的分布,两个超级大户左右着星系群的结构和演化。

康德曾经将银河系以外的其它星系称为“宇宙岛”。先贤们已经意识到星系才是物质循环、恒星产生、能量释放的家园,而星系和星系之间什么也不存在。今天的天文学研究,肯定了前半句,否定了后半句。星系的确是宇宙演化的基石,但星系和星系之间的“空旷”地带,在光学波段以外的观测看来,充满了细致的结构。比如我们的银河系、大麦哲伦云、小麦哲伦云之间,就有着大量的气体分子连接的桥梁。类似的现象在M31周围也有发现。这就是说,本星系群这个不大不小的村庄,家家户户并不是各自为战关起们来过日子。其实每家每户都在用肉眼不易察觉的方式交换着物质与能量,整个村庄并不是表面上呈现的众多岛屿,而是一副紧张忙碌的画面,或是一张彼此纠葛的大网。

本星系群不仅仅是这些发光发亮的恒星组成的星系的村庄,还包括星系内部和星系之间弥漫的气体、尘埃,以及暗物质。所有这些都不容忽视,都对星系的相互运动和演化起到至关重要的作用。今天的天文学,往往谁能对这些气体、尘埃、暗物质做出更细致的研究或模拟,谁就能更准确地把握本星系群的面貌。

谁说了算

银河系和M31作为村子里的至尊,谁才是更大质量的星系,这个问题已经争论了几十年。产生这样的争论倒不是这两个星系自己不安分,而是研究它们的天文学家和观测技术在不断进步。过去很长的时间里,天文学家都认为M31比银河系质量大,包含的恒星数量也多,是当之无愧的一村之长。但是随着对银河系自身的研究的深入,越来越多的证据倾向于将银河系重新扶上村长宝座。之所以过去没能清醒地看待银河系的庞大,是因为“身在此山中”、“不识真面目”。透过银河系盘面上厚厚的尘埃和气体观测银河系自身,就像是在pm2.5严重爆表的日子里瞭望远方。今天,越来越多的新观测研究发现,银河系虽然包含着比M31少一些的恒星数目,但是总质量要略大于M31。不过,这当中的不确定度依然很大,因为难以观测和精确测定的暗物质的质量不容忽视,而银河系与M31周围都围绕着大量的暗物质晕,研究范围的选取往往会影响最终的结果。

两位村长候选人,也许听不到天文学家的争论,它们有着自己的宿命。银河系与M31正在以110公里每秒的速度相互靠近,这意味着,大约40亿年之后两个星系将会发生碰撞,伴随着一系列的天文过程,最终两个旋涡星系合并为一个巨大的椭圆形系,称之为银河仙女星系。这个巨大的银河仙女星系也将吸引周围的矮星系一起落入自己的体内,这将是本星系群的遥远未来。当然,具体的碰撞情况也还是会受到暗物质的影响。

有趣的是,“碰撞”并不是描述这一状况的最合适的说法。因为银河系与M31的碰撞,不像是两辆汽车的碰撞,更像是两组人群的交错。银河系和M31分别包含超过千亿颗的恒星,但是两个星系的碰撞并不是彼此的恒星撞击在一起,反而在碰撞的过程中几乎不会有恒星撞击的情况出现。比如说,距离太阳最近的是比邻星,如果太阳是一个乒乓球的话,比邻星就是一颗豌豆,这颗乒乓球和这颗豌豆相距1100公里远。也就是说,相比恒星自身的大小来说,恒星彼此距离太远。与其说银河系与M31碰撞,倒不如说是相互融合。

千奇百怪

组成本星系群的几十个星系涵盖了几乎所有可见的星系类型。这个小村庄就是研究各种不同星系类型的最近的实验室。

从星系的动力学关系上分,可以将本星系群的众多星系分为三大类。分别是银河系和银河系卫星系统、M31和M31卫星系统、以及NGC3109和周边星系系统。除了第三类围绕在NGC3109星系周围的几个遥远的星系之外,本星系群的大部分成员都可以分为两大阵营:银河系的卫星星系、M31的卫星星系。两个阵营的规模势均力敌,涵盖的空间范围也很接近。由于距离的原因,天文学家对银河系的卫星星系的研究要多得多。目前已知的成员达到14个星系,和银河系之间靠万有引力相互作用。最早发现的大麦哲伦云小麦哲伦云星系位于南方天空中,早在公元1世纪波斯天文学家苏菲就做过观测记录。最近十几年研究的最多的银河系卫星星系要算人马座矮椭球星系,直到1994年才发现它的主要核心部分,它围绕银河系运动穿越银河两极,在穿越的过程中与银河系的引力相互作用,成员恒星被拉入银河系的范围,在星系穿越的路径上延伸出长长的星流。大部分银河系的卫星星系,都和人马座矮椭球星系有着类似的遭遇,它们的成员星或多或少地被银河系吸入,形成星流。所以,银河系从来都不是一个孤立的结构,研究和认识银河系离不开对银河系周边环境的把握。

从星系形态上分,本星系群包括漩涡星系、椭圆形系、矮星系、不规则星系等各种类型。银河系、M31、M33都是典型的漩涡星系,M32是典型的椭圆星系,前面提到的大小麦哲伦云都是不规则星系,人马座矮椭球星系是典型的矮椭球星系。漩涡星系和椭圆形系通常尺寸较大,包含的恒星众多,质量也大,一般在1011到1012太阳质量左右,而矮星系和不规则星系,顾名思义,尺寸较小,没有坚实稳固的结构,包含的恒星数量少,质量小。事实上,银河系的一些卫星星系,和银河系外围的球状星团直接没有特别明确的界限。确认卫星星系的独立身份让天文学家颇花费了一番功夫。目前比较流行的银河系演化理论认为,像人马座矮椭球星系这样的矮星系在历史上曾经有过很多,它们都纷纷地落入银河系的范围,与银河系相互作用,最终成为银河系的一部分。今天能够在银河系里找到了部分球状星团,可能就是过去的矮星系的残骸。

更大的乡村

我们的本星系群村庄,是室女座超星系团这个大乡村的一部分。这个室女座超星系团以室女座星系团为中心,还包括除我们的本星系群以外的至少100个星系群或星系团,比如离我们最近的M81星系群M101星系群。必须注意的是,我们自己的银河系,既不是这个大系统的中心,尺寸和质量也算不上出众。只要把我们的目光稍稍放远一点点,就会把我们自身的自豪感和自负心淹没在茫茫天际里再也找不回来。而这一切的一切,只能称得上是宇宙的一个小小的角落。我们还没有能力离开太阳系,我们制造的人造探测器目前最远的只飞到太阳系的边缘。一个又一个更高层次的空间等待我们的光顾,在此之前,天文学家用望远镜和理论模型率先冲锋陷阵,为我们揭示一个又一个超乎想象的世界。越是如此,我们越是感叹自己赖以生存的辽阔大地,其实只是一个小小的角落。

所幸的是,在这个小小的角落里发生的这些故事,就足够我们去好奇、去探索、去了解、去提问了。我们从来不会感觉宇宙的一个小角落拥挤与逼仄。那么相反,是不是我们身边的一花一草一露珠,我们也没能察觉它们的庞大与博远?

结语

在别人只知道流星雨的时候,你开始去试着了解一个叫做“本星系群”的东西,这的确算得上高端大气上档次的知识了。不过,高大上并不是我们的最终目的,我们的目标是——试着切换不同的视角来重新看待自己。这就是天文学的力量,可以让我们赖以生存的大地变得毫不起眼,可以让空旷的星系际空间展现紧密的联络,可以让我们在足球这么大的脑袋里装下一个跨度1000万光年的星系群。这么一想,碉堡了吧?