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2005-10-26

巨引源,七武士及其他

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 5:01 pm

月球因受地球引力的束缚而绕地球公转,同样因为万有引力的作用,地球绕太阳公转,太阳绕银河系中心公转。那么银河系本身又如何呢?再进一步,银河系所属的本星系群呢?

驱动包括本星系群和室女星系团成员在内数百万个星系相对宇宙微波背景运动的引力源被称作巨引源(Great Attractor)。所谓巨引源实际上是个超星系团,只是因为方位原因被遮挡,长久以来无法被人们仔细研究。

Great Attractor

巨引源中心的超星系团Abell 3627。图片提供:2P2 Team, WFI, MPG/ESO 2.2-m Telescope, La Silla, ESO

星系的运动速度可分解为两种成分:本动和由于宇宙膨胀带来的退行速度。本动体现的是各个星系相对宇宙背景辐射的自身运动,退行则反映了宇宙的整体性质。长久以来,人们坚信宇宙的均匀性,并由此推测本动的取值应该是随机的。直到1980年代,天文学家才着手系统研究星系的方位与本动速度的关系,进而初步了解了物质的真实分布状况。

1979年,Chincarini和Rood发现,长蛇—半人马座方向可能存在有超星系团,这促使人们开始关注该超星系团对银河系的影响。随后Shaya(1984年)、桑德奇(1985年)等人的观测即初步表明,本星系团有朝向室女星系团的运动,而本星系团和室女星系团又一同向长蛇—半人马座运动。

而在1988年春发表在ApJ上的一篇论文中,自称“七武士”的7名天文学家通分析对近400个邻近椭圆星系所作的巡天观测结果,更确认了这一惊人的发现。他们利用速度区分出了半人马座的前景星系和背景源,结合高能空间天文台1、欧洲南方天文台等机构的观测数据,确认银河系及数百万个近邻星系共同以每秒600至1000千米的速度朝向南天半人马座的一个引力源运动。该源银经307度,银纬9度,距离我们2.5亿光年,尺度达4亿光年,质量约5.4*1016倍于太阳。它的存在导致了宇宙膨胀的大尺度不均匀性,他们称此源为超星系中心。后来为了更吸引他人的注意力,七武士之一的Alan Dressler为他们的发现取了个响当当的名字:巨引源。由此,他们一同打开了一扇通向邻近宇宙未知结构的窗口。

Galaxies in Motion

邻近星系团朝向巨引源的运动状况。图片来源:Renée C. Kraan-Korteweg and Ofer Lahav, Scientific American (October 1998): pp. 50-57

七武士的本来意图是进一步研究Faber-Jackson关系,也就是椭圆星系的亮度、距离和成员星随机速度之间的关系,却无意间发现了各个星系团的整体运动。选择椭圆星系作为观测对象倒为研究巨引源提供了便利:椭圆星系在天空中分布均匀,覆盖面广,更重要的是,椭圆星系的成团现象和星系团归属要比其他类型的星系更加明确,虽然其数量并不如旋涡星系或不规则星系丰富(这一缺点的确也影响了他们进一步研究本星系团朝向室女星系团的运动)。

Galaxies Observed

被观测的385个椭圆星系分布图。图片来源:Lynden-Bell et al. (1988)

同时代的一系列观测揭示出了宇宙的泡沫状结构,而星系只存在于“泡沫”的边界区域;本动速度也并非完全随机。也就是说,宇宙中的物质分布并没有以往设想的那样均匀。只有在几百兆秒差距的尺度上,宇宙学原理才是适用的。

巨引源处在银河系的隐带区域。隐带占据了天空中多达1/4的区域,这里银河尘埃遮掩了外部的天体,来自银河系的星光也淹没了遥远天体的微光,仅仅凭借光学观测几乎不可能察觉其细节,所以长久以来没有人注意过巨引源。不过仔细研究了引力作用之后,人们可以推测出,这里的可见天体的质量只占据物质总质量的1/10,其余的全属暗物质之列。

Galaxies Observed

巨引源的方位示意,即图中蓝色部分。图片来源:Renée C. Kraan-Korteweg and Ofer Lahav, Scientific American (October 1998): pp. 50-57

由于其庞大的质量,对于银河系来说,巨引源导致的运动速度甚至比邻近的室女星系团导致的还要大。当然,它也对银河系对侧的星系施加着作用。

巨引源最中心的区域处在半人马巨壁(Centaurus Wall)内,巨壁的交汇点附近有矩尺(超)星系团Abell 3627。从银河系看去,星系团的方向与银道面角距甚近。X射线卫星ROSAT的观测表明,由于尘埃的消光作用,Abell 3627的很多成员星系被我们“遗漏”了(其中很可能包括处在星系团中心区域占主导地位的星系团),该星系团的真实尺度其实远大于由光学观测得出的结果。由于分布过度密集,Abell 3627的相当一部分成员将会面临相互吞并的命运。

Abell 3627还被认为是半人马巨壁的支配性成员,光谱研究也支持这一结论。巨壁是由常规物质和暗物质层叠组成的,可能将本星系群包括在内,而我们的银河系也是它的组成部分。半人马巨壁是星系“长城”的组成部分,后发(超)星系团则对巨壁以北的区域起着重要作用。

Supergalaxy

半人马巨壁与中心区域的Abell 3627。图片来源:Anthony P. Fairall, An Atlas of Nearby Large-scale Structures, from Large-scale Structures in the Universe

巨引源是超星系的核心区域,附近似乎还有大型星系巨洞的存在,该区域内只有寥寥数个星系。超星系有着与一般星系类似的结构,不过它的成员是单个星系,而且并不象一般星系那样有自转。超星系的范围从半人马座延伸到室女座,再到大熊座;反方向则伸展到孔雀—印第安座。

Supergalaxy

计算机绘制的超星系成员分布图,垂直暗带即是巨洞。图片来源:Lynden-Bell et al. (1988)

巨引源算得上是揭秘宇宙大尺度结构的一把关键的钥匙,当年的星系巡天则是寻找钥匙的前提。在黑泽明执导的那部经典电影中,7名武士在与土匪的斗争中取得了胜利,但最终又不得不说“我们又失败了,那些农民才是胜利者”。而由剑桥大学的Donald Lynden-Bell、加州大学圣克鲁兹分校的Sandra Faber、亚利桑那大学的David Burstein、基特峰国立天文台的Roger Davies、卡内基学院的Alan Dressler、格林尼治天文台的Roberto Terlevich和达特茅斯学院的Gary Wegner组成的宇宙学七武士却取得了最终的成功,找到了钥匙的所在,谱写出了当代科学研究的诗篇:严密的组织管理,长期计划,四大洲十余架大型望远镜的参与,不停歇的观测、再观测和核对。他们的工作虽然对圈外人来说未免枯燥艰深,但却对学界意义深远。

Seven Samurai

七武士之六,上排左起:Donald Lynden-Bell、Sandra Faber、David Burstein;下排左起:Roger Davies、Alan Dressler、Gary Wegner。

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