 大、小麥哲倫云是離銀河系最近的鄰居，也是南半球天空的主宰。而在本星系群里，還住著許多其它衛(wèi)星星系。（圖片來源：ESO/BABAK TAFRESHI） 天文學(xué)家Andrew Fox把銀河系比作山頂上的村莊。他說：“在夜晚，你能看到鄰近兩個(gè)村子里燈光閃耀。它們分別是大、小麥哲倫云和更遠(yuǎn)處的仙女星系。很久以來，它們就是除銀河系之外，我們僅知的幾個(gè)星系。然后，忽然有一天，有人把兩塊透鏡放到一起，制造出一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，用它環(huán)顧四周，發(fā)現(xiàn)周圍的山上還散落著許多小村莊，由此意識(shí)到需要重新描繪周圍的圖景。那就是本星系群——我們的家園?！?/span> 宇宙中除了銀河系，還存在其它星系。這樣的想法在絕大部分人類歷史中簡直是天方夜譚。畢竟，銀河系是我們的宿主星系。它的幾十億顆恒星成員妝點(diǎn)著夜空，在數(shù)千年里令觀星者沉醉其中，不能自拔。即使是現(xiàn)在，這個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡和靈敏照相機(jī)大顯其能的時(shí)代，無論是業(yè)余愛好者，還是天文學(xué)家，很容易就將終身的時(shí)間和精力都用來研究銀河系及其行星、恒星和星云去了。 不過，如果我們透過銀河系那稀薄的物質(zhì)暈，向遠(yuǎn)處稍稍一瞥，我們就能看見鄰近宇宙和演化中的星系展現(xiàn)出的精彩而豐富的景象。 在銀河系周圍，大約有85個(gè)星系在引力的束縛下聚集在一起，那就是本星系群。它的展幅大約是一千萬光年，其成員不僅有銀河系和幾個(gè)肉眼可見的明亮星系，還包括了許多非常小的星系。通過研究本星系群，天文學(xué)家能夠從整體的角度觀察星系，不再局限于從星系內(nèi)部去理解星系的物理性質(zhì)了。  埃德溫·哈勃在1936年第一個(gè)列出本星系群的成員名單。當(dāng)時(shí)，已知成員有銀河系、大、小麥哲倫云、仙女座星系（M31）、M32、風(fēng)車星系（M33）、NGC147、NGC185、 NGC205、NGC6822、IC1613，可能還有IC10。自那以后，不斷有新的小星系加入進(jìn)來，本星系群的成員數(shù)目也隨之膨脹至85個(gè)。圖中的距離單位是光年。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY） 追隨氣流 地球上的天文學(xué)家可算是占盡地利，可以近距離地觀察本星系群中的星系形成。比較弱小的星系常常與質(zhì)量更大的星系發(fā)生碰撞。小星系里本就貧乏的氣體和塵埃儲(chǔ)備被大星系吸收。矮不規(guī)則星系，如其名所示，質(zhì)量偏小且缺乏規(guī)則的形狀。它們看上去毫不起眼，就像是一團(tuán)恒星混雜體——似乎眨眨眼，你就找不到它們了——而且沒有旋臂。本星系群里的矮不規(guī)則星系只有幾千個(gè)恒星成員。與坐擁數(shù)千億顆恒星的銀河系相比，它們是徹徹底底的小不點(diǎn)。即使如此，天文學(xué)家仍然熱衷于更好地理解宇宙中這些不重要的恒星系統(tǒng)。 耶魯大學(xué)的天文學(xué)家Marla Geha專門研究矮星系的起源與演化。她解釋說：“通過研究群體中的極端個(gè)體，我們能夠增進(jìn)對整體的了解。” 在本星系群里，體型最大、名氣也最大的矮不規(guī)則星系非大、小麥哲倫云莫屬。它們看上去就像是南半球夜空中的兩團(tuán)模模糊糊的斑塊。大、小麥哲倫云可是神話傳說中的名角：在澳大利亞原住民世代相傳的故事里，它們被描繪成一男一女、獵人、或者是虹彩吸蜜鸚鵡（當(dāng)?shù)氐囊环N小鸚鵡）的灰燼。大、小麥哲倫云離我們分別16萬光年和20萬光年遠(yuǎn)，這兩個(gè)距離略大于銀河系的直徑。因?yàn)殡x得比較近，科學(xué)家能夠分辨出其中的恒星個(gè)體，對它們倆略知一二。 “同研究許多恒星的混合星光相比，研究恒星個(gè)體的運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)構(gòu)成能讓我們更加準(zhǔn)確、更細(xì)致地理解星系的形成過程?！盙eha說。  大麥哲倫云離我們很近，天文學(xué)家能夠分辨出其中的恒星個(gè)體。于是，這個(gè)矮不規(guī)則星系成為一個(gè)天然實(shí)驗(yàn)室，讓我們研究星系的形成。（圖片來 源：NASA/JPL-CALTECH/M. MEIXNER(STScl) & THE SAGE LEGACY TEAM） 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像顯示，在大麥哲倫云中，有正在密集地形成恒星的團(tuán)塊，可能是球狀星團(tuán)的前身。其中一些新形成的恒星，其質(zhì)量可能高達(dá)100倍太陽質(zhì)量；它們極其明亮，發(fā)出猛烈的星風(fēng)，把周圍的氣體吹成氣泡和氣流狀。這些激烈的恒星形成區(qū)能讓我們更好地了解大質(zhì)量恒星的形成——在位于本星系群外的、非常遙遠(yuǎn)的星系內(nèi)部，這個(gè)過程也常常上演。 雖然大、小麥哲倫云被銀河系的引力束縛著，但它們是已經(jīng)圍繞銀河系轉(zhuǎn)了好幾圈，還是第一次墜入銀暈？天文學(xué)家仍然莫衷一是。 美國空間望遠(yuǎn)鏡研究所的天文學(xué)家Fox說：“我認(rèn)為這個(gè)問題尚無定論，這主要是因?yàn)槲覀冞€不確切地知道銀河系的總質(zhì)量。這意味著我們也無法精確地知道銀河系的引力大小，而后者直接影響著大、小麥哲倫云的運(yùn)動(dòng)軌道?！闭荈ox把銀河系比作山頂上的村莊。 不管大、小麥哲倫云已經(jīng)繞銀河系轉(zhuǎn)了多少圈，我們可以確定的一個(gè)事實(shí)就是: 銀河系的引力正在把它們扯散。Fox與同事的研究顯示，銀河系正在剝離這兩個(gè)矮星系的氣體，并把其匯聚在一個(gè)叫做“麥哲倫流”的大質(zhì)量云團(tuán)中。從地球上望去，這團(tuán)氣體橫跨了近四分之一的天空。由于氣體是恒星形成必不可少的原料，銀河系正在奪取大、小麥哲倫云的恒星形成資源，收為己有。 Fox說：“星系周圍有多少氣體，這些氣體又是如何落入星系，支援星系內(nèi)的恒星形成的？這些問題是近幾年的研究熱點(diǎn)?！睂溦軅惲鞯挠^測為天文學(xué)家提供了近距離觀察星系間氣體循環(huán)的機(jī)會(huì)。這些觀測表明，大質(zhì)量星系就像食人族一樣，吞噬著質(zhì)量較小的同類。 缺失的金屬和質(zhì)量 在天文學(xué)家眼中，任何比氦重的元素都算是金屬元素。恒星就是制造金屬元素的工廠。它們制出的金屬有一些成為了星云的組成部分，而星云則是孕育后幾代恒星的地方。因此，星系里金屬元素的豐富程度（即金屬豐度）隨著時(shí)間的推移不斷增加，至少對那些正在積極地形成恒星的星系來說是如此。平均來講，大質(zhì)量星系的金屬豐度比小質(zhì)量星系的金屬豐度高。 銀河系和仙女座星系（M31）是本星系群里質(zhì)量最大的星系成員。它們的金屬豐度也是最高的。你手上戴的戒指、片刻不離身的手機(jī)、還有今早喝咖啡時(shí)攪拌咖啡用的勺子，都與這些金屬脫不開關(guān)系。 同為本星系群成員的不規(guī)則矮星系，其金屬豐度就低多了。天文學(xué)家把金屬豐度低的星系稱為“化學(xué)原初星系”——它們主要由氫和氦組成，就像大爆炸后不久的宇宙一樣。這些星系像時(shí)間囊：可以讓天文學(xué)家研究在被恒星制造的金屬“污染”之前，早期宇宙是什么樣子。 天文學(xué)家在SEGUE（Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration）的觀測數(shù)據(jù)中真找到了這樣的星系。作為斯隆數(shù)字巡天的拓展項(xiàng)目，SEGUE在2004年至2008年展開全面的巡天觀測。天文學(xué)家對SEGUE的數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，從中搜尋位置和速度相似的恒星，希望借此找到用現(xiàn)在的望遠(yuǎn)鏡無法看到的、既小又暗的新星系。2009年，美國和歐洲的科學(xué)家在SEGUE的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極小的星系。這個(gè)被命名為Segue2的星系圍繞銀河系運(yùn)動(dòng)，但它的個(gè)頭卻只及銀河系大小的五百分之一。 由于Segue2離我們不遠(yuǎn)——11萬4千光年，比銀河系的直徑還要小——天文學(xué)家能夠分辨出其中的恒星個(gè)體，并研究它們的金屬豐度。在天文學(xué)研究中，比起研究群體的平均情況，研究個(gè)體常常帶來新的發(fā)現(xiàn)。這一點(diǎn)很像體育學(xué)和政治學(xué)研究。密歇根大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)歐文分校的研究人員使用智利的6.5米口徑麥哲倫望遠(yuǎn)鏡，研究Segue2中最明亮的恒星（一顆紅巨星）的金屬豐度。他們發(fā)現(xiàn)，這顆恒星的金屬豐度出奇地低：只有太陽金屬豐度的千分之一。這些測量結(jié)果表明，Segue2沒有經(jīng)歷過大量的恒星形成。其它觀測也證實(shí)了這一點(diǎn)。  微型星系Segue2是本星系群中最古怪的星系之一。在矮星系中，暗物質(zhì)通常遠(yuǎn)多于普通物質(zhì)，但Segue2的暗物質(zhì)很少——說明大量暗物質(zhì)都被銀河系剝離了。（圖片來源：GARRISON-KIMMEL, BULLOCK (UCI)） 加州理工學(xué)院的天文學(xué)家Evan Kirby正在研究Segue2。他說：“Segue2目前只有幾千顆恒星成員，而形成這些恒星卻花了幾億年時(shí)間。所以，它的恒星形成率平均值是每年形成0.00001顆恒星，真夠可憐的?！?/span> 不過，從另一方面看，Segue2也有其特別之處——它的質(zhì)量（或者說缺乏質(zhì)量）。絕大多數(shù)星系都含有大量的暗物質(zhì)——一種與其它物質(zhì)只有引力作用，既不發(fā)光、不反射光、也不散射光的神秘物質(zhì)。像銀河系這樣的星系，其暗物質(zhì)的含量是重子物質(zhì)含量的十倍。相對來說，質(zhì)量較小的矮星系含有更多的暗物質(zhì)——其含量可以達(dá)到重子物質(zhì)含量的一千倍之多。剛開始研究Segue2時(shí)，Kirby及其團(tuán)隊(duì)預(yù)測它也含有大量的暗物質(zhì)。他們使用夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡II研究Segue2中恒星的運(yùn)動(dòng)情況，由此推測出Segue2的暗物質(zhì)含量與重子物質(zhì)含量的比值不會(huì)超過300比1——遠(yuǎn)低于預(yù)測值。 “比值小可能說明Segue2的一部分暗物質(zhì)被銀河系剝掉了，”Kirby說。根據(jù)觀測結(jié)果，Segue2的總質(zhì)量（包括暗物質(zhì)在內(nèi)）不高，只有20萬倍太陽質(zhì)量。聽上去這好像是很大的質(zhì)量，但實(shí)際上，比銀河系的總質(zhì)量低了一千萬倍。 如果把銀河系比作大眾牌甲殼蟲車，Segue2充其量也只不過是車身上的一只小瓢蟲而已。 “這些系統(tǒng)雖然具備了星系的所有屬性，但卻沒有幾顆恒星，很荒謬。如此小的星系也能形成，真令我驚奇，”Geha說。 而且，這樣的星系可能還不止一個(gè)。天文學(xué)家懷疑，本星系群的星系成員數(shù)目可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)在已知的85個(gè)?！拔覀兠靠匆娨粋€(gè)星系，就可能還有幾百個(gè)星系我們沒看見。”Kirby說。“公平地講，那些我們沒看到的星系，絕大多數(shù)可能連一顆恒星也沒有——只有暗物質(zhì)——把它們稱為星系都成了問題?！?/span> 科學(xué)家們正在尋找類似這樣由暗物質(zhì)主導(dǎo)的星系。在今年年初，以美國羅切斯特理工學(xué)院的Sukanya chakrabarti為首的天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣布，他們發(fā)現(xiàn)了四顆恒星，可能屬于本星系群中一個(gè)主要由暗物質(zhì)構(gòu)成的星系成員。 朝著M31而去 大、小麥哲倫云、Segue2、以及其它幾個(gè)鄰近的不規(guī)則矮星系都被銀河系的引力束縛著。這在本星系群中并不少見。距離我們大約250萬光年遠(yuǎn)的仙女座星系（M31）也有幾個(gè)衛(wèi)星星系環(huán)繞左右。這個(gè)事實(shí)不怎么令人驚訝，因?yàn)殂y河系和M31是本星系群中質(zhì)量最大的星系。  仙女座星系（M31）是本星系群中最大的星系，擁有大約一萬億顆恒星——超出銀河系的恒星數(shù)目兩倍有余。上圖展示了它在紫外波段的模樣。（圖片來源：GALEX/ NASA/JPL-CALTECH） “作為本星系群中質(zhì)量最大的兩個(gè)成員之一，仙女座星系驅(qū)動(dòng)著本星系群的大部分演化。” 華盛頓大學(xué)的天文學(xué)家Benjamin Williams解釋說。他的研究對象是近鄰星系中的恒星族群。實(shí)際上，有證據(jù)表明，M31與其衛(wèi)星星系之間的互動(dòng)可比銀河系多多了。 “它的恒星暈具有更多的結(jié)構(gòu)，布滿星流，說明它過去經(jīng)歷過不少激烈的事件，”Williams說，“它的衛(wèi)星星系現(xiàn)在很少形成恒星，這也說明它們之間有較多的相互作用?！?/span> 在今年早些時(shí)候，美國圣母大學(xué)和威斯康辛-麥迪遜大學(xué)的天文學(xué)家報(bào)告說，發(fā)現(xiàn)M31被一大團(tuán)氣體包裹著。借助哈勃望遠(yuǎn)鏡，他們看到這個(gè)氣體暈一直延伸到M31與銀河系間距的一半遠(yuǎn)處，而且含有碳、氧和硅，其中一些元素可能是被從M31吞并的衛(wèi)星星系中剝離出來的。  上圖是天文學(xué)家為慶祝哈勃空間望 遠(yuǎn)鏡25歲生而制作的。它是望遠(yuǎn)鏡至今為止拍攝的最大的圖像，總共用了7000多次曝光才完成。這張全景圖展示了仙女座星系——離我們250萬光年遠(yuǎn)的鄰 居，從致密的中心核球一直向外延伸到星光稀疏的外盤區(qū)域的圖像。（圖片來源：NASA/ESA/J. DALCANTON, B.F. WILLIAMS, AND L.C. JOHNSON(UNIV. OF WASHINGTON)/ THE PHAT TEAM/ R. GENDLER） 不過，證明大星系吞噬小星系不單單是為了讓人毛骨悚然的?！坝^察一個(gè)矮星系被拉長，直至消散在銀河系或者M(jìn)31那光滑的外圍區(qū)域，就是在實(shí)時(shí)觀看星系的成長過程?！盞irby說。像Kirby這樣的天文學(xué)家想要理解星系如何聚積質(zhì)量，長成我們?nèi)缃袼姷哪?，而無需等待大約50億年去看銀河系和M31如何相撞。 “那場碰撞將毀掉銀河系和M31的旋臂，留下一個(gè)毫無特征的橢圓星系，”Kirby說。但是，本星系群里的不規(guī)則矮星系命中注定不會(huì)遭遇如此猛烈的碰撞?！八鼈冎械慕^大多數(shù)會(huì)繼續(xù)圍繞它們的宿主星系運(yùn)動(dòng)——甚至是在‘大碰撞‘發(fā)生之后，它們的恒星成員也不會(huì)有什么變化。 當(dāng)銀河系與M31最終并合成一體，它們中心的超大質(zhì)量黑洞將互相繞轉(zhuǎn)，同時(shí)釋放出大量的能量。然而，超大質(zhì)量黑洞在本星系群中并不多見。在大約85個(gè)星系成員中，只有3個(gè)（銀河系、仙女座星系及其矮橢圓衛(wèi)星星系M32）表現(xiàn)出中心有超大質(zhì)量黑洞的跡象。而本星系群中質(zhì)量最大的星系成員中也有它們仨的身影，這絕非偶然?！耙话闱闆r下，中心有黑洞的星系最少也有十億倍太陽質(zhì)量。”Kirby解釋說?！岸诒拘窍等褐?，絕大多數(shù)不規(guī)則矮星系最多只有一億倍太陽質(zhì)量。所以，還沒有任何證據(jù)表明在它們的中心藏有超大質(zhì)量黑洞?！?/span>  仙女座星系和銀河系共同主宰著本星系群，風(fēng)車星系（M33）則以其四百億顆恒星成員位列第三。它也常常被認(rèn)為是我們?nèi)庋劭梢姷淖钸b遠(yuǎn)的天體。（圖片來源：ESO） 在本星系群中，同類相食的事件常常發(fā)生在大質(zhì)量星系周圍。即使如此，一些星系似乎能夠獨(dú)善其身。旋渦星系M33，也被稱為風(fēng)車星系，在本星系群質(zhì)量最大的星系成員中，緊隨銀河系和M31之后，排在第三位。它圍繞M31運(yùn)動(dòng)，中心沒有核球——存在核球往往是以前經(jīng)歷過星系并合的跡象。不僅如此，它的400億顆恒星成員排列成旋渦狀。這是一種脆弱的幾何結(jié)構(gòu)，任何較大的引力作用都能破壞它。 NGC604是M33里一個(gè)巨大的恒星形成區(qū)。它的存在表明這個(gè)星系含有大量氣體。如果在過去某個(gè)時(shí)期，M31以某種方式剝離了風(fēng)車星系的氣體，那么，這些氣體必定早在NGC604形成第一批恒星之前幾百萬年就已得到補(bǔ)充。 “M33為我們提供了一個(gè)近鄰的研究對象，讓我們研究在幾乎不受衛(wèi)星星系騷擾的星系中，星盤如何形成與演化。”Williams說。 在本星系群內(nèi)遠(yuǎn)離銀河系和M31的地方，星系相對來說過著離群索居的生活。在抵達(dá)更遠(yuǎn)的星系團(tuán)（它們本身也是體型更加龐大的室女本超星系團(tuán)的成員）之前，這些星系是我們最后遇見的天體。雖然，在高性能望遠(yuǎn)鏡和照相機(jī)的幫助下，天文學(xué)家如今甚至可以研究本超星系團(tuán)中星系的復(fù)雜細(xì)部。但是，本星系群的星系成員們?nèi)匀幌駸羲粯游覀兊哪抗狻?/span> |
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