2021年11月30日 11:00
【科學快訊】
歐洲航天局「蓋亞」衛星的數據正在改寫我們銀河系的曆史。近期，來自歐洲和中國的天文學家計算了銀河系周圍40個矮星系的運動，發現它們很可能是首次來到銀河系附近，而非「衛星」，這可能對暗物質理論提出挑戰。
銀河系周圍的矮星系（來源：ESA/Gaia/DPAC， CC BY-SA 3.0 IGO）
我們的銀河系被大約50個矮星系所包圍，其中有兩個特別出名，在南半球的天空中僅憑肉眼就能看到，即大麥哲倫雲星系（LMC）和小麥哲倫雲星系（SMC），其他大多數只能通過望遠鏡識別，通常會以其所在的星座命名（如天龍座矮星系、玉夫座矮星系、獅子座矮星系等）。
所謂「矮」，是指這些星系體量比較小，光度比較低，通常由數千到數十億顆恒星組成（銀河系由數千億顆恒星組成）。傳統上，我們認為這些矮星系是環繞銀河系運行的衛星星系。然而，現在，來自歐空局「蓋亞」衛星的最新數據顯示，大多數矮星系恐怕是第一次經過銀河系。這顛覆了以往的認知，迫使天文學家重新考慮銀河系形成及演化的曆史，以及這些矮星系本身的性質和組成。
大麥雲和小麥雲（來源：exploringnightsky.com）
有賴於「蓋亞」極高的觀測精度，我們可以對這些矮星系進行前所未有的精確計算。來自歐洲和中國的一個研究團隊觀察了銀河系周圍40個矮星系的運動，計算了每個星系的三維速度，從而推演其軌道能量和角動量。他們發現，這些星系的運動速度比已知圍繞銀河系運行的巨星和星團要快得多，如果從經典力學的角度來思考問題，這樣的速度會導致它們不可能繞銀河系作軌道運動，至少暫時還不能。隨著與我們的銀河系及銀河系內的物質發生相互作用，它們的軌道能量和角動量會得到顯著削弱。降到一定程度，就有可能變成衛星星系了。
銀河系中的部分矮星系（來源：ESA/Gaia/DPAC， CC BY-SA 3.0 IGO）
這個發現與我們對大麥哲倫星系的理解是一致的。它也曾被認為是銀河系的一個衛星星系。直到21世紀初，天文學家測量了它的運動速度，發現它的速度太快了，無法被銀河系的引力束縛，因此大麥雲很可能是首次來到銀河系附近，而不是圍繞銀河系轉動，如果是這樣，那就不太符合傳統意義上「衛星」的概念了。現在看來，大多數矮星系也是如此，它們是在過去數十億年中才來到我們附近的。
保持高速運動的矮星系到底是「衛星」還是「首次訪客」呢？不同的思維可是會引爆一個大問題的！
理論上沒有暗物質的星系中（左），外圍物質的運動速度比較慢；只有包含暗物質，外圍物質才能保持高速旋轉（右）（來源：Wikimedia Commons）
如果按照傳統的認識，即矮星系是銀河系的衛星星系，那麼它們必須依靠一種神秘力量才能讓自己以高速繞行，那就是——暗物質。暗物質是一種神秘的物質，天文學家認為它存在於宇宙中，尤其是星系和星系團中，它提供了額外的引力，將星系中的恒星、氣體、塵埃等物質聚集在一起。這樣的思路下，必須要求矮星系含有暗物質，才能平衡銀河系的引力。
如果換一種思維，假如矮星系本身並未繞銀河系運動，而只是首次造訪，那麼即便沒有暗物質，也是講得通的。只不過，很可能它們當中的大部分都不會成為衛星星系。
當前大多天文學家認為銀河系外圍有著巨大的暗物質暈，數十個矮星系都被包裹其中繞銀河系運動。（來源：Robert Caldwell & Marc Kamionkowski， Nature 458， 587-589 （2009））
但是，有一點需要注意，根據大量的現實案例，我們幾乎可以確信，在過往的100多億年裏，銀河系曾吞噬過許多矮星系。換句話說，銀河系是在不斷的「大魚吃小魚」的過程中逐漸長大的。例如，科學家認為在80-100億年前，一個名為蓋亞-恩克拉多斯（Gaia-Enceladus）的矮星系被銀河系吞並，它的恒星擁有特定的軌道偏心率和速度，至今還可以在「蓋亞」數據中識別出來。而就在最近，大約在40-50億年前，人馬座矮星系被銀河系捕獲，目前正處於被撕碎融合的過程中。而其中恒星的軌道能量（速度）高於蓋亞·恩克拉多斯，這表明它們受到銀河系影響的時間更短。
藝術家描繪的人馬座矮星系（左側球狀部分）在銀河系引力作用下產生四條星流（來源：University of Cambridge/Amanda Smith）
意思是，如果沒有暗物質，那麼又是誰能讓這些矮星系的速度降下來，如何才能讓銀河系演化成今天這個模樣呢？恐怕現實會很殘酷——銀河系正在憑借其強大的引力吸引矮星系來到自己身邊，並且試圖撕碎它們，吃掉它們！
這些矮星系未來的命運會怎樣？銀河系過去曾經曆過什麼？這些問題難道真的要等待暗物質來回答嗎？
參考資料：
Gaia reveals that most Milky Way companion galaxies are newcomers to our corner of space
（https：//www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Gaia_reveals_that_most_Milky_Way_companion_galaxies_are_newcomers_to_our_corner_of_space）
本文轉自天文茶餐廳
