“丢失”的伴星系找到了？

□ 文 何锐思（Richard de Grijs） / 翻译 程思淼

“丢失”的伴星系找到了？

□ 文 何锐思（Richard de Grijs） / 翻译 程思淼

何锐思

（Richard de Grijs）

北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）教授，国际天文学联合会天文发展办公室东亚分站负责人。

提起宇宙学，我们的印象往往是这样的：用最大的望远镜，看到宇宙最深远的角落，千方百计地收集来自超新星爆发、或者宇宙中诞生的第一批星系的那一点点微弱的光。但是对有的宇宙学家来说，他们关注的重点却在“本地宇宙”，也就是我们附近的宇宙：他们想知道，我们能否通过观察自己的周围，了解我们银河系演化的情况。我们对本地宇宙了解得如此少，实在令人惊讶——因为我们以往对这广袤天空的检视太过粗略了，尚不足以揭示出其中的秘密。不过，由新望远镜开始的新巡天正在开启天空之门，它们所揭示的秘密令人惊讶。

2015年3月，全世界的宇宙学家都兴奋起来了。欧洲和美国的科学家各自独立地宣布了他们的新发现：有8个、甚至9个矮伴星系在绕银河系运行。伴星系是绕大星系公转的较小的天体结构，这次的发现是有史以来最多的一次。矮星系是已知最小的星系，在它们当中或许潜藏着帮助我们理解大型星系形成过程的钥匙。这次的新发现来自“暗能量巡天”（Dark Energy Survey，简称DES）项目最新公开的图像数据，它或许还能帮助我们解开暗物质背后的谜团——暗物质是不能发光的物质，现在一般认为，正是它们提供的引力使星系能够聚集在一起。

大、小麦哲伦云与智利阿塔卡马沙漠中帕瑞纳天文台“甚大望远镜”（VLT）的辅助镜。图中只显示了9个新发现目标当中的6个，其余的3个在视野之外。内嵌的小图是其中3个最显眼的目标（波江座1，时钟座1，绘架座1），视野13×13角分（相当于暗能量照相机的3000×3000像素）。来源：V. Belokurov, S. Koposov (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK)， Y. Beletsky (Carnegie Observatories, USA)

科学家之前一共发现了二十多个这种银河系的伴星系。其中约有一半是在2005、2006两年由“斯隆数字化巡天”（Sloan Digital Sky Survey，简称SDSS）发现的，SDSS可算是DES的前辈。在最初的“发现大爆发”之后，新发现的速度骤降；在过去的五年里，没有任何新的发现。因此，这次的发现是2010年以来的第一次。这次DES指向了南天一片新的区域：大、小麦哲伦云附近的天区。大、小麦哲伦云是银河系的伴星系当中最大、也是我们了解得最多的两个矮星系。这次新发现的目标，亮度只及银河系的十亿分之一，质量只及百万分之一。它们是在科学家检查DES第一年获得的数据时发现的，大约覆盖了全部巡天天区范围的三分之一。

银河系伴星系在天空中的分布。背景图是2微米全天巡视（Two Micron All Sky Survey，2MASS）制作的红外天图。来源：S. Koposov, V. Belokurov (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK)， 2MASS

大、小麦哲伦云与中性氢的喷流。内嵌小图是发现的最大（波江座2）与最小（印第安座1）的伴星系。波江座2的图像视野为13×13角分（3000×3000像素）；印第安座1视野6.5×6.5角分（1500×1500像素）。来源：V. Belokurov, S. Koposov (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK)， M. Putman (Columbia University, USA)

DES是一个五年的计划，力图以前所未有的精度对南天大面积的天区进行照相。其基本设备是拥有5.7亿像素的“暗能量相机”。这是世界上最强大的数码相机，能够看到距地球80亿光年远的星系。它在美国能源部的费米国家加速实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）建造和调试，现在安装于智利安第斯山脉托洛洛山美洲际天文台4米口径布兰科望远镜上。暗能量是占宇宙中总物质与能量70%的神秘力量，这个五年的巡天计划旨在寻找与暗能量的性质有关的线索。科学家相信，暗能量会是理解宇宙为何加速膨胀的钥匙。

通过这两张图像你就能明白，要在暗能量相机拍摄的图像中看出这些矮星系的候选者是多么困难。第一张图像是暗能量相机找到的一个目标DES J0335.6-5403拍摄出来的效果。DES的科学家们说，它是新发现的候选者里最有可能是星系的一个。它距我们约100000光年远，只含有很少量的恒星——在暗能量相机的数据中，大约能找到300颗。第二张图像只显示了看来是属于这一目标的恒星，而把其他可见物质发的光黑化处理了。矮伴星系太过暗弱，必须要像暗能量相机这样极其敏感的设备才能发现它们。而且，要确定这些新发现的目标是否真的是星系，还需要进一步的分析。来源：Fermilab/Dark Energy Survey

这项有关矮星系的新发现，由剑桥大学天文研究所的一个团队，和总部设在费米实验室的DES项目的天文学家两队人马同时宣布。两个团队的分析结果都是利用了公开的DES第一年的数据。

根据剑桥团队的结果，三个新发现的目标肯定是矮星系，其他的可能是矮星系，也可能是球状星团。球状星团与矮星系有相似的观测性质，但没有暗物质与之相伴。

“在这么小的天区里发现了这么多伴星系，完全出乎我们意料。”剑桥大学文章的第一作者塞尔吉•科博索夫（Sergey Koposov）博士说，“我简直不能相信自己的眼睛。”

矮星系是目前观测到的最小的星系结构，其中的恒星数量可能还不到100颗，相当暗弱，难以观测。相反，银河系则包含数千亿颗恒星。标准宇宙学模型预言，在银河系周围应当存在数百个矮星系绕其公转。但由于它们太过暗淡和微小，要找到它们极其困难，即使是在我们的“后院”也是如此。

“银河系伴星系中有大量的暗物质，这对天文学家和物理学家来说都是一个重要的结果。”费米实验室的阿列克斯•德利卡-瓦格纳说。他是DES的牵头人之一。

由于矮星系当中99%都是暗物质而只有1%是可见物质，所以它们是检验现有的暗物质模型是否正确的理想对象。在我们宇宙的总物质与能量中，暗物质占25%。由于它不可见，我们只能通过它产生的万有引力知晓其存在。

“矮伴星系是检验我们暗物质理论的最后疆界，”剑桥大学文章的合作作者瓦西里•拜罗库洛夫（Vasily Belokurov）博士说，“我们需要找到它们，以确定我们的宇宙学图景是否正确。不过，在麦哲伦云附近一下子发现这么多伴星系是很让我们惊讶的，因为以前在南半球做的巡天发现都很少，我们从没想过能碰到这么大的宝藏。”

在这“宝藏”当中，离我们最近的在97000光年远处，大约是我们到麦哲伦云距离的一半。由于银河系巨大的潮汐力，它正被撕裂、解体。这些目标中最远的、也是最明亮的位于120万光年远处。它正处在银河系引力范围的边缘上，将要被银河系拉进来。而且，根据剑桥团队的结果，它还拥有一个小型的球状星团。这是目前发现的最暗弱的拥有球状星团的星系。

“我们不知道该怎样解释这些结果，”合作作者、同样来自剑桥大学的维恩•伊万斯（Wyn Evans）说，“或许它们曾是绕麦哲伦云运行的伴星系，后来由于大、小麦哲伦云间的相互作用而被抛了出来。又或许它们和麦哲伦云一起，曾是一个巨大星系群的一部分，而现在正落入我们的银河系中。”

我们在银河系附近有了新的发现！来源：Flickr/Luis Calçada, CC BY-ND

虽然还需要进一步的分析以确认这些观测到的天体是否真的是银河系的伴星系，不过研究者指出，它们的大小、较低的表面亮度、以及离银河系中心相当远的距离，都表明它们是完美的候选者。进一步的验证正在进行中，而对DES第二年数据的收集和整理将为研究提供更多的矮星系候选者。

新发现的星系还将为科学家提供更多探索暗物质特征和标志的机会。矮伴星系是由暗物质主导的，也就是说，它们包含的不可见物质远远多于其中的恒星。这些暗物质的性质如何目前尚不清楚，不过，组成它们的粒子可能和发光物质一样，能够发生正反物质的湮灭，并释放出伽玛射线。由于矮星系中没有其他的伽玛射线源，在这里寻找暗物质湮灭的痕迹是非常理想的。对这些天体的进一步研究将为寻找暗物质带来更敏感、更精确的方法，科学家对此很有信心。

星系F568-3的光学图像（内嵌小图，来自SDSS）叠加在模拟“银河”——对一团银河系质量的冷暗物质晕进行的宇宙学模拟——的暗物质分布图上。在模拟的分布图中，用亮度代表暗物质的密度。可以清楚地看到理论模拟所预言的现象：“类银河系”的星系应当拥有数千个暗物质主导的矮伴星系。来源：http://arxiv.org/abs/1306.0913

几乎就在这次新发现宣布的同时，美国航空航天局（NASA）费米γ射线空间望远镜上搭载的大视场望远镜（Large Area Telescope，LAT）报告，并未观测到与DES目标相关的明显伽玛射线辐射。这一事件向我们展示出，光学望远镜的新发现如何能够立刻转化为对基础物理学的检验。

“我们用LAT并没有探测到明显的辐射，但DES所发现的矮星系对寻找暗物质仍是极为重要的。”LAT发言人彼得•米歇尔森（Peter Michelson）说，“即使不能确定暗物质究竟是什么，我们至少可以通过矮星系弄清它们的性质。”

“对于寻找小型伴星系来说，暗能量相机实在是完美的设备，”美国芝加哥大学科维理宇宙物理学研究所的凯斯•伯克托（Keith Bechtol）说。伯克托协助领导了DES中与伽玛射线实验相关的研究。“暗能量相机有着极为宽广的视野，能够迅速而高精度地绘出天空的图景，使我们能够看到很暗的恒星。这些成果就表明了它是多么地强大，以及它收集的数据在未来的几年中将是多么重要。”

对类银河系的星系中暗物质分布的模拟。左上为标准无相互作用的（冷）暗物质，右上为热暗物质，下面两幅图则是假设暗物质与背景的光子有相互作用而做的模拟。在最极端的情况下（右下图），较小的结构全部消失，也就是说，大星系周围将不存在任何小型的伴星系。来源：Durham University, UK

在过去的30年里，随着计算机威力的爆炸式增长，计算机模拟向我们揭示了星系是如何从大爆炸之后毫无分别的“宇宙汤”中诞生出来的，使我们对宇宙的理解有了革命性的变化。不像真实的宇宙那样处处蒙着面纱，在“模拟宇宙”中，我们能够精确地追踪物质的运动，观察暗物质和气体如何随着时间的流逝聚集到一起，并且形成星系。在模拟宇宙中，我们看到，银河系周围应当有数千个较小的矮星系相伴而行。

如果银河系周围确实伴随着如此众多的小星系，那就表明我们对星系演化的认识，其方向基本上正确。不过，寻找矮星系的麻烦在于，要去搜索的天空范围太大了。这项工作需要经过特殊设计、并且由专门用于此任务的望远镜来完成。在过去的几十年里，SDSS孜孜不倦地对北天的一大部分天区进行了成像观测，发现了数以百万计的遥远星系。不过，SDSS也发现了很多就在我们“后院”里的矮星系。其中的一些相当得大，包含有十亿颗恒星；还有的非常小，只有一千多颗恒星，甚至难以确定它究竟是星系，还是只是偶然跑到星系外面来的一群恒星。

图中是暗物质在一个类银河系星系的晕中分布的两个模型，以中间的白线隔开。颜色代表了暗物质的密度，红色表示密度高，蓝色表示密度低。左边是对无相互作用的冷暗物质的模拟，可以看到，它产生出大量较小的伴星系。右边显示的则是，若暗物质与其他粒子发生相互作用，形成的伴星系数量就会较少。来源：Durham University, UK

那么，我们找到计算机模拟所预言的那些为数众多的矮星系了吗？并没有！SDSS并没有找到数以千计的矮星系，事实上，它找到的目标屈指可数。也就是说，理论预言的大部分矮星系“丢失”了。这个“丢失的伴星系”问题对我们理解星系的演化至关重要。然而，要明白这问题究竟有多么严重，我们必须知道矮星系到底丢失了多少。虽然SDSS做出了巨大的贡献，但是它的巡天范围只限于北天。而要完整地回答这个问题，我们需要完整的数据。因此，我们要对南天进行巡天。

目前，从事南天巡天的队伍正在稳步增长，包括位于智利的可见光—红外巡天望远镜（VISTA）和位于澳大利亚的“星图家”（SkyMapper）项目。不过遥遥领先的还是DES——它的关注重点根本不在我们的本地宇宙。DES关注的是由于暗能量的存在，我们对遥远宇宙的观测会发生哪些微妙的变化。由于眼界一直延伸到远方，它自然也能捕捉到那些在远方与我们本地宇宙之间的东西，因此，它的数据对各领域的科学家来说都不啻一座金矿。这次新发现的矮星系并没能解决“丢失的伴星系”问题，但为我们提供了连接观测宇宙与理论模型的线索。

这些矮星系如此密集地分布在麦哲伦云周围，或许意味着它们正在一同落入我们的银河系。如果它们真的是同源的一个小集团，我们或许能从中窥见星系演化的真相。而且我们不能忘记，这些新星系还只是在DES第一年的数据中找到的，在未来几年将有更多的数据公开出来。科学家们期待，在整个DES的巡天范围中，这样的伴星系的数目将会多达30个左右。

（责任编辑 冯）