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2017-10-12

难以捉摸的超弥散星系

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 9:06 pm

低表面亮度(LSB)星系是一类恒星密度远低于“正常”星系,亮度至少比天空背景暗一个星等的星系,之前站里介绍过的麦林1号就是其中的一个典型,而六分仪A、仙女V、人马矮不规则星系等都是它的小个子同类。这类星系中的重子物质主要以中性氢的形式存在,质光比较高,而且整个星系包括核心区域都由暗物质主导。据信LSB星系缺乏恒星形成活动以及超新星爆发的原因是与其他星系的引力相互作用匮乏,因此难以诱发其中的星际气体转化为恒星。

巨型低表面亮度星系——麦林1号的红外图像,它是已知最庞大的旋涡星系,半径相当于银河系的6倍之巨,但亮度远远不及后者。(图片提供:2MASS)

如果一个LSB星系不仅表面亮度低,而且结构还非常弥散的话,就要被称作超弥散星系(Ultra-Diffuse Galaxy,简称UDG)了。率先发现这种暗淡天体的仪器并不是最庞大、最先进的望远镜;相反,它只是加拿大多伦多大学主持的蜻蜓(Dragonfly)远摄阵列。在2015年公布第一批UDG时,阵列还只拥有8枚焦距400毫米、光圈f/2.8的摄影镜头。

最初发现UDG时的蜻蜓阵列。(图片提供:Dragonfly - Dunlap Institute)

低表面亮度天体的一大特点就是光度还不及环境天光,所以想要探究它们,除了深度曝光之外,天空背景扣除更是至关重要。使用传统的反射式望远镜对其进行观测时,首先是镜面上难以回避的尘埃和加工缺陷会将入射光反向散射到光路中,带来污染;次级反射镜的机架结构又会不可避免地引入衍射,让系统的点扩散函数变得非常复杂。所以与直觉相反,大型望远镜对这类天体的发现并无太大助益。相反,蜻蜓阵列这样的纯折射式光学系统最大程度地回避了反射过程,并充分应用仿生学原理,参照蜻蜓复眼的结构,用多枚镜头进一步抑制杂光,效果反而更佳。

最早的一批47个UDG位于后发星系团中。为了探测它们,蜻蜓阵列总共对其积分了26小时。这些星系的共同特点是尺度大(与银河系相当),但其中恒星质量只及银河系的千分之一,不过是一般矮星系的水平。正常星系的尺度跟质量之间存在较好的正相关关系,UDG就是这个关系的严重偏离者。就连麦林1号这样的巨型低表面亮度星系与其相比,都要显得正常多了。

第一批UDG的影像,上为蜻蜓阵列的探测,下为加拿大-法国-夏威夷望远镜的后续观测,并未在其中解析出任何结构。(图片来源:van Dokkum et al. 2015

最早被发现的UDG的颜色普遍偏红,缺乏中性气体成分;但通过动力学特征不难判断,内里的暗物质含量必然极高。后来天文学家又陆续发现了一些颜色更蓝,其内气体成分偏多的UDG,它们主要是远离大型星系团的场星系或小型星系群的成员。此等颜色与组分的差异可能要归结于星系团环境对星系中气体的剥离过程;而集中,可能只是个选择效应,毕竟针对星系团的观测项目颇多。

正统的星系演化理论框架很难解释UDG的存在。在正常情况下,大量的暗物质会促进普通重子物质的积聚,这种既大且暗的东西乍看之下就比较离奇了。有观点认为,UDG只是自转极度缓慢的矮星系。在它们在形成之初,超新星爆发或者其他什么过程导致的外流即已将星系内部的大部分气体推向外围,而且星系团内邻居星系的引力作用又进一步阻止了外逃气体的回落。还有观点称,又或者UDG是瓦解中的普通星系(尽管从星系形态上看,这种情况不太可能)。

数值模拟得到的超弥散星系,形成机制是星系形成之初的超新星爆发导致星系物质向外大量逃逸,结构随之膨胀。(图片提供:Arianna Di Cintio, Chris Brook, NIHAO simulations and Hubble Space Telescope)

因为这种种错综的可能性,有人将超弥散星系视作解密星系演化的钥匙。如果能够发现更多UDG,找寻它们在其他波段上的模样,彻底理解这类难以捉摸的暗淡天体,我们对星系和星系团生命史的认识必然会提升一个层次。

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