盘中的发现
Barry F. Madore & Armando Gil de Paz
译自Sky & Telescope, Vol. 110, No. 5 (2005)
英国精力充沛又往往直言不讳的遗传学家J. B. S. Haldane一次承认说，他感觉到“宇宙不仅比我们设想的奇怪，而且比我们能够设想到的更奇怪”。但尽管我们的想象力可能不够丰富，我们所拥有的机遇和不断增长的能力却可以让我们在奇怪的宇宙中开拓新视野——这通常纯粹是因为在新技术可行的时候运用它，并且绝大多数情况下仅仅是观看而已。
比所见的更多 长蛇座优雅的旋涡星系M83在1500万光年以外朝向我们发光，它明亮的盘仅仅被几颗属于银河系的恒星环绕——也被GALEX新近发现的不可见恒星形成区包围。（图片提供：David Malin/AAO）
在天文学界，打开电磁波谱上的新窗口往往会带来新的发现，它们关乎宇宙整体组成、当今状况和昔日的演化情况。现在，NASA的星系演化探测器（GALEX）让我们可以用空前的高分辨率和大视野观看紫外天空，这一波段的电磁波无法抵达地面，仅仅是在近年才利用空间观测对各方面作了仔细研究。
GALEX的主要目标是，研究在全天及整个宇宙历史中星系内恒星形成的演化情况。为了完成这一目标，GALEX在紫外的两个波段上获取图象，其一是波长150nm附近的远紫外波段，另一个是能量较低的近紫外波段，波长在230nm附近；其圆形视场宽1.2度。
星系在上述两个光谱范围内的辐射主要来自年轻的大质量恒星，它们的表面温度高于10000K。由于在作为超新星爆发或演化到暗淡的白矮星之前，这些恒星的发光时间不长于1亿年（这对于宇宙来说只是一眨眼的工夫），GALEX也就成了研究新近恒星形成的利器。
自2003年4月28日发射以来，GALEX对紫外光的空前敏感性使它作出了不计其数的发现。这其中包括：高亮度紫外星系（Ultraviolet-luminous Galaxy，其远紫外辐射比太阳在所有波段上辐射的能量总和高200亿倍）；意外多的椭圆星系中存在着年轻恒星（人们认为椭圆星系中的恒星都很古老）；邻近旋涡星系延展的气体晕中有恒星形成活动。后者可能是该卫星最惊人、最出乎意料的发现了。
出乎意料的发现
尽管GALEX小组相当一部分的努力都是为了研究数十亿光年外演化迅速的遥远宇宙，它也对大批邻近星系作了观测。选择这些观测目标的本来目的是为了给了解恒星形成活动的演化史提供邻近基准，但它们同样也是新发现的无尽源泉。
GALEX最意外的发现之一是，某些被认为已经了解得很好的邻近星系拥有延展的紫外盘。目前已知的例子中，最壮观的是猎犬座3100万光年外的12等星系NGC 4625。
这个星系在宇宙中并不孤单，它与西南放几个半径以外的NGC 4618形成了双星系系统。这两个盘状星系有着高度不寻常的特征：每个星系只有一个单独的旋臂。这一形态特征是罕见的（绝大部分盘状星系有两条旋臂或更多），毫无疑问，它的起因是两个星系间正在进行的潮汐作用。
在可见光波段，这对星系中的NGC 4618很明显是占支配性地位的一个。想象一下，当人们第一次看到GALEX为这对星系所拍的紫外图象（如下图）时有多么惊讶。这颗卫星灵敏的探测器捕获到的图象与它们的光学（可见光）对应体几无相似之处。在紫外波段，场景的支配者是NGC 4625，它占据的天区面积比可见光下的约大10倍。光学空白区被令人震惊的盘所占据，盘由旋臂碎片与蓝星星协组成。
角色互换 可见光下的NGC 4625和NGC 4618（左，图片提供：Digitized Sky Survey/STScI/AURA）是由后者支配的。但在GALEX卫星对此进行的观测中，角色互换了，前一星系有着紫外光下炽热的延展旋臂（右，图片提供：B. Madore/A. Gil de Paz/GALEX Team）。
在GALEX拍摄的图象中，极蓝的色彩表示NGC 4625的延展紫外盘（现在，我们通常称其为XUV盘）中缺乏年老红色恒星。因而这也说明，这些产生紫外辐射的恒星可能是星系最外层领地中的第一代也是唯一一代恒星。
早先利用射电望远镜进行的研究显示，大片中性氢气体在NGC 4625周围有秩序地旋转着。这些延展的中性氢（HI）盘也很少见，但令人惊异的是，也并不尽然——人们还发现了其他几个，每个都延伸至宿主星系光学图象半径的几倍以外。先前并不知道（或没有预料到）的是，这些气体盘目前正为恒星形成供应着燃料。
另一个壮观的XUV盘是在NGC 1510和NGC 1512中发现的，这是时钟座4100万光年之外的一对互扰星系。在这里，相互作用再次通过爆发的恒星形成示明，后者照亮了潮汐力导致的星系尾和残存的旋臂碎片。此种活动线索已经在地基光学观测的数据中出现过，但在GALEX的视野中，星系系统周围暗黑的空间爆发成了相缠旋臂的高对比场景——这是10等的NGC 1512和埋藏在其中的13等伴星系NGC 1510之间潮汐力作用的可能结果。
产星带 在熟悉的可见光图象中，10等的NGC 1512由中心的棒状结构支配（左，图片提供：Digitized Sky Survey/STScI/AURA）。但GALEX的紫外照片显示了一个更大的星系，支配它的是流动的旋臂，遍布热而年轻的恒星（右，图片提供：B. Madore/A. Gil de Paz/GALEX Team）。
M83：距离最近的XUV盘
最后，离我们最近的星系邻居之一，在南半球秋季清晰可见的一个星系也有延展紫外盘。
和NGC 4625类似，甚至在GALEX的观测之前，对M83所作的射电观测即表明，它有延展的中性氢盘。但只有在GALEX观测了这一近邻之后，我们才认识到，在这庞大的原初材料库中，恒星正在形成。在GALEX的图象中，旋臂碎片和蓝星组成的集团虽然不如NGC 4625的XUV盘那样戏剧性地明亮，也仍是清晰可见的，它们延伸到M83的光学盘边缘以外。
是什么抑制了M83周边的恒星形成？可能的解释取决于这样的事实：与NGC 4625或NGC 1512不同，M83并不与任何邻近天体发生明显的相互作用。人们认为，这个壮观的正面旋涡星系属于一个广布的星系团，其中包括半人马A和NGC 5253，而后者是两个被极度扭曲了的星系，各自都有独一无二的特点。但M83并不象NGC 4625那样隶属于一个潮汐双星系统，它也没有象NGC 1512那样有包埋在星系晕中的明显伴星系。
揭秘邻居 在可见光照片（如这张数字化巡天的红光照片）中，长蛇座M83星点遍撒、尘埃排布的旋臂紧紧缠绕在黯淡的中央棒周围（左，图片提供：Digitized Sky Survey / STScI / AURA）。然而对于紫外光来说，旋臂变分散了，成了星系盘周围剥落的粗糙蓝色亮斑（右，图片提供：B. Madore/A. Gil de Paz/GALEX Team）。
当然，可以料到的是，M83的XUV盘可能正处于演化阶段的晚期，或者当前它与其他星系的相互作用远较NGC 4625或NGC 1512微弱。这里至少有两种可能性：M83可能已经与一个不安的伴星系发生过并合，残余物可能已埋入盘的亮处；或者入侵星系可能已被潮汐力瓦解，被彻底破坏，并散布到M83外晕的最远处。
支持后一可能性的证据是KK 208。KK 208由Valentina Karachentseva和Igor Karachentseva于1998年发现，这是一个暗而长的亮区，它最初被认为是M83的矮伴星系。然而现在看来，KK 208明显只是M83周围更大的结构的扩展残余核，而该结构本身可能是个更大的星系的残余，其恒星已经被M83的潮汐力剥离了。
M83的XUV盘的第三种可能解释无论如何也与设想中的伴星系无关。这一观点认为，在M83的XUV盘中，恒星诞生是由内部的大尺度密度波激起的，与塑造旋涡星系壮观图景的作用相同。如果这种观点是正确的，M83外缘的XUV辐射应类似于内盘旋臂，伸展的方式不很连续。M83中存在XUV辐射而其他旋涡星系中没有，这可能是由于M83曾暂时从中性氢晕中加速吸积气体。这一加速吸积图景将使外盘气体密度达到恒星形成的临界值。
更大的课题
GALEX发现，宇宙学意义上年轻的恒星形成与长期宁静的气体氢仓库中，这一出人意料的成果暗示，当今星系外缘并非仅仅存在着几十亿年前预先形成的已知天体。相互作用可以激起星系系统后期恒星形成的观点并不新。但GALEX的发现表明，相互作用实际上在旋涡星系盘的生长过程中可能起了很重要的作用。
规律中的例外 并非所有存在着庞大的中性氢库的旋涡星系都在其中拥有延展紫外盘的。例如玉夫座的NGC 300，蓝光巡天图象（左，图片提供：Digitized Sky Survey/STScI/AURA）和紫外图象（中，图片提供：B. Madore/A. Gil de Paz/GALEX Team）中都证明，大量年轻恒星在这个8等天体多旋臂的盘中闪耀。但GALEX没有在传统意义上的星系边界之外发现年轻的热星，尽管庞大的中性氢气体储备可以为它们的诞生提供燃料（右，图片提供：D. Puche, NRAO/C. Carignan, Mont Megantic）。
也许更有意思的问题集中在这些恒星的金属性和诞生它们的气体云的化学组成上。毕竟，这些星系中的一部分是完全可能在其延展盘中存在原初气体的。大多数旋涡星系的重元素（“金属”）丰度自中心向周边系统递减——这是盘自内向外形成的明显标志。在这一自内向外的图景中，GALEX找到的XUV盘可以作为此种生长的最佳表达。如果XUV盘中的恒星确实是第一代恒星，那么我们不仅在目睹盘的形成，还在目睹宇宙当代史中极度贫金属星的形成。
目前我们仍不清楚这些XUV盘中的金属性有多低。零金属丰度的恒星（星族III）是设想中的天体，形成了宇宙中的重元素。星族III的恒星本身不含有金属，它们的演化路径必然与当今所见的大不相同，而它们可能以一种仍旧神秘的方式塑造了早期宇宙。
星族III被认为是早期宇宙的唯一居民。但如果在某些近邻星系的外层还存在有未被污染的气体，并且只是在今天才被激发并导致恒星形成，那么被推迟的恒星形成将为我们提供空前的机会去近距离观测支配宇宙最早期最早一代恒星形成的模式。
很多研究正在探测XUV的金属性。例如我们正在使用北半球的帕洛玛山5米反射镜和智利的6.5米麦哲伦望远镜研究这些星系的HII区，这是电离气体组成的球体，其光谱特征是星际介质金属性的绝佳指针。如果证实了它的存在，也许这一代被局部推迟的贫金属星应该被称作星族0，这是因为星族I是富金属星，而星族II是中度贫金属星。
我们仅仅是刚开始去了解XUV盘。先前未曾预料到的恒星形成活动究竟是由单一机制还是几种相竞争的过程塑造的，至今还不清楚。但清楚的是，通过打开一扇新的宇宙窗口，人们不仅能探测新的波段，更可以探明显然更暗的光线，没正在打开天体物理学崭新而激动人心的窗口。这些发现的光芒也许会照耀到一度被认为是早期高红移宇宙支配者的事件和过程之上。
卡耐基天文台的天文学家、长期痴迷于星系的Barry Madore协同领导着GALEX任务，而Armando Gil de Paz在卡内基工作三年之后，回到西班牙的Complutense大学继续与前者进行合作。
