丢失的星系

□ 国家天文台 李 然

丢失的星系

□ 国家天文台 李 然

在 1933年之前，科学家们也许已经意识到深空中璀璨的群星并不是宇宙的全部，但他们显然并没有料到发光物质的质量在宇宙中是那么微不足道。

这一年，加州理工学院的瑞士天文学家茨威基（Zwicky)研究了后发（Coma）星系团中星系的速度，并由此发现了令人惊奇的事情。观测显示，如果认为星系团的质量就是所有恒星质量之和，那么后发星系团中星系的速度远远超过了星系团的逃逸速度。也就是说，理论上这些星系早就应该挣脱了星系团的引力束缚，飞散开来。茨维基向来以深刻的洞察力和大胆提出新观点著名。他立刻猜想这些星系团中显然应该充满了看不见的物质。并且，为了能够解释观测到的星系的速度，这些暗物质的质量至少超过可见物质一个量级。

进一步，茨维基还推论，一旦拥有如此大的质量，星系团的引力场将弯曲远处星系发出的光，产生强烈的引力透镜效应。远处同一星系发出的光，可能会因此从不同的路径到达地球上的观测者。从观测者看来，同一个星系，在星系团的透镜效应下，可以产生多个像。

也许是因为他太过经常提出惊人的想法，茨维基的观点并未很快被人接受。但在随后的40年里，更多的观测证实了他的想法。如果没有暗物质，人们就不能解释为什么银河系可以束缚住围绕它旋转的卫星星系，也无法解释在距离银河系中心很远处的气体云为什么能保持很高的轨道速度。而通过引力透镜效应的观测可以直接探查宇宙中暗物质的分布，这更是直接告诉人们——暗物质在宇宙中无处不在。

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弗里茨·茨威基（Fritz Zwicky)，1898～1974，是美国上世纪最著名的天文学家之一。他一生做出了数项留名史册的工作，其中最重要的成就是超新星本质的解释和暗物质的发现。他在引力透镜和星系巡天等方面也做出了诸多开创性成果。

图1 哈勃望远镜观测到的星系团（编号Abell1689）。璀璨的星系只占星系团质量的一小部分。图片中可以看见由于引力透镜效应产生的长弧状结构。

在今天的标准宇宙学模型里，暗物质是宇宙中最主要的物质组分，占据了宇宙物质质量的80%以上（不包含暗能量）。这些暗物质并不是像没有被恒星照亮的气体或者尘埃那样的由质子、中子和电子构成的普通物质。宇宙微波背景辐射和宇宙元素核合成理论表明，这些暗物质一定是标准粒子模型之外的物质。这样的暗物质不能进行电磁相互作用，因此也就不能发出电磁波。

同时，今天的标准宇宙学模型还要求暗物质是“冷”的。这说的是暗物质粒子在宇宙早期的速度非常低。在这种情况下，宇宙第一批形成的暗物质团块——暗晕，质量都很小。这些小暗晕通过相互合并进一步长大。冷暗物质宇宙学从八十年代开始获得了巨大的成功：从微波背景辐射到星系的旋转曲线，再到大尺度纤维结构的数值模拟预言。在几乎所有的宇宙学观测领域，冷暗物质标准宇宙模型都给出了恰当的理论预言。宇宙学家们高兴地宣布，基于观测数据的丰富和模型的成功，宇宙学进入了精确学科时代。可是好景不长，没过几年，科学家们就发现冷暗物质宇宙学似乎预言了太多的小结构，而观测中却看不到相应数目的星系。这也就是所谓的“卫星星系丢失问题”。

为了理解这个问题，现在让我们来仔细思考一下宇宙中的结构形成。正如我们前面提到的，在冷暗物质的宇宙中，第一批形成的暗物质晕都是小质量的。在宇宙历史上，暗晕的合并非常频繁。当一个小暗晕被一个大暗晕捕获后，它会一边绕转，一边沉入大暗晕中心。在这个过程中，小暗晕会持续地丢失质量，直到完全被瓦解。但是小暗晕的核心区域比较密集，抵抗潮汐瓦解的能力较强，因此一部分小暗晕的核心部分能够存活很长时间。再加上小暗晕会持续地落入大暗晕中，因此今天的暗晕中应该大量存在小的暗物质团块——子暗晕。

记住这一点，让我们再来看一下星系的形成。在宇宙早期，重子物质一直在和光子不停碰撞，没有办法聚集成团。等到宇宙冷却，光子退耦以后，重子物质终于可以聚集塌缩了。这时候暗物质早已经聚集形成了引力势阱，重子物质别无选择，只能在暗物质的势阱中塌缩。和暗物质不同，重子物质可以通过辐射的方式降低自己的内能，从而变得越来越聚集。当密度超过临界，核反应被点燃，大量的恒星随之形成，星系也从此诞生。在随后的演化中，星系伴随着暗晕成长而成长。当两个大小差不多的暗晕合并时，寄宿于暗晕中的星系也会在很短的时间里迅速合并。当两个差异很大的暗晕合并时，小的暗晕成为大暗晕的子暗晕，而小暗晕中的星系就成为了随子暗晕一同在主暗晕中绕转的卫星星系。一般认为，只要子暗晕大于一定的质量，其中就会存在着卫星星系。在计算机数值模拟中，天体物理学家可以细致地追踪暗物质晕的形成和星系的演化。数值模拟显示，今天的暗晕中确实存在大量的子暗晕。

根据银河系的动力学观测，天文学家们推算，银河系所在的暗晕大约是10000亿太阳质量。1993年，考夫曼等人详细研究了星系的形成历史，发现这样的暗晕（其中包含银河系这样大的星系）中，应该至少存在100个质量大于100万太阳质量的卫星星系。可实际上，我们却只在银河系中观测到了十多个这样的卫星星系。

在随后的一系列研究中，科学家们都得到了类似的结论。1999年，美国新墨西哥大学的克利平(Klypin)更是直接在文章标题中诘问“丢失的星系到哪去了”？这样的诘问中隐含着潜台词。这些科学家们相信冷暗物质模型并没有错误，只是某些我们不知道的机制使得在小暗晕中并没有形成那么多的星系。即使形成了，它们的亮度也比我们估计的低得多。

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重子物质：

是指从质量上来看主要由重子组成的物质，比如所有由原子组成的物质。

非重子物质：

是指从质量上来看主要不是由重子组成的物质，比如中微子、自由电子和光子等。

光子退耦：

在宇宙早期的高温高密度环境下，自由电子、光子相互碰撞非常频繁，物质和光子维持热平衡状态。随着宇宙膨胀冷却，电子和质子结合形成原子，自由电子迅速减少。此后，光子与电子碰撞几率变得很小。这个过程称作光子和物质的退耦合，简称光子退耦。光子退耦后，物质不再维持热平衡状态，开始聚集塌缩。

天文学家们希望将问题归因于星系形成模型，这并不是一个非理性的判断。因为星系形成的过程太复杂，不能像暗物质的演化一样在数值模拟中通过解引力方程高精度地追踪。在星系形成中包含恒星形成、气体冷却、超新星和黑洞能量反馈等机制，其中相当一部分物理人们至今仍未理解透彻。这些气体物理过程对于子暗晕结构和卫星星系形成的影响也并未完全被搞清楚。例如，宇宙紫外背景光子的存在可能会使得小暗晕中的恒星形成被抑制。而另一方面，超新星爆发则可能会把相当质量的气体推出暗晕的核心区域，从而使得暗晕的物质分布发生改变，变得更容易被潮汐作用打散。这种种的物理机制都可能是造成“星系丢失”的真正原因。

图2 暗晕示意图。在大暗晕中存在很多星系，这就是我们在观测中看到的星系团或星系群。这些星系中最大的那个往往在暗晕的中心，被称作中心星系，而其他的被称作卫星星系。卫星星系一般存在于子暗晕中。

而另一方面，标准冷暗物质宇宙学模型有错的可能也同样吸引着很多人的注意力。冷暗物质宇宙中之所以形成的第一批暗晕都是小暗晕，是因为冷暗物质在宇宙早期动能太低无法和引力抗衡。即使很小尺度的密度扰动，也会塌缩形成暗晕。而有一些暗物质粒子的候选者比如惰性中微子（sterile neutrinos），可能具有不那么“冷”的特性。这样的暗物质粒子在宇宙早期具有一定的动能，抑制了小质量暗晕的形成，但又不至于破坏星系形成的大图像。这样的暗物质被称作“温暗物质”。温暗物质宇宙中的结构形成，在大尺度上和冷暗物质宇宙并无明显差异，但在小尺度上却能自然地解释很多观测现象。例如，温暗物质宇宙中形成的小质量子结构数目会显著少于冷暗物质宇宙。这也可能是“丢失星系问题”的真正答案。

图3 冷暗物质宇宙(左)和温暗物质宇宙(右)数值模拟中形成的暗晕。可以看到温暗物质数值模拟中子暗晕的数目显著减少(Lovell et al. 2012)。

图4 夏威夷凯克10米望远镜观测的引力透镜系统 JVAS B1938+666。中心的亮斑是一个椭圆星系，距地球98亿光年。背景星系的图像被这个椭圆星系所扭曲，形成了爱因斯坦环。而子暗晕的存在，使得爱因斯坦环显得不那么均匀。

那么究竟哪个解释是对的呢？最直接的判断方法当然是把暗晕都找出来，称一称重量，数一数个数。但我们都知道，暗物质无法通过通常的方法观测。当前观测暗物质分布的最实用方法只有引力透镜。暗物质虽然不发出电磁波，但是它却可以通过引力效应被感知。暗晕的引力场会改变它背后星系发出的光线的行进路线。如果在观测者和遥远星系之间存在着暗晕，则观测到的遥远星系图像会被暗晕引力场扭曲。这就是引力透镜效应。当暗晕和遥远天体在天球上的角距离越近，这种引力透镜效应也越强。有时候，观测者会看见同一个星系的好几个像。有的时候，星系的像被拉得很长，变成一条长弧。当星系、观测者和暗晕成一条直线的时候，远处的星系会被引力透镜效应扭曲成一个环，这就是所谓的爱因斯坦环。天文学家通过研究这些扭曲的星像，可以反向推知暗晕的物质分布。但是利用这样的方法依然难以看到子暗晕的存在，这是因为子暗晕实在太小了。所有子暗晕的质量加起来也不过占了主暗晕质量的5%左右。只有在某些特殊的情况下，例如，当子暗晕靠近爱因斯坦环或者长弧的时候，它的引力效应会在已经扭曲的星像上添加一个更小的扭曲（如图4）。这就为天文学家打开了一扇探测这些小结构存在的窗户。2012年维盖提（Vegetti）等人在《自然》（Nature）杂志上发表文章，宣布在一个具有爱因斯坦环的引力透镜系统（JVAS B1938+666)中发现了一个质量极小的子暗晕。这个暗晕的质量被估计为108倍的太阳质量左右。这样小的暗晕的存在，已经对暗物质的温度上限有了约束。如果人们能够发现更多的子暗晕，将最终有望彻底解决这一问题。