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天文学家发现最古老螺旋星系

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:13

    天文学家发现最古老螺旋星系

    漂亮的螺旋:来自哈勃太空望远镜和夏威夷的凯克望远镜的一幅合成图像展示了BX 442号星系的螺旋结构。在左上角可以看到它的伴星系,它可能是导致BX-442号形成螺旋结构的原因。

    早期宇宙是一个环境恶劣而混乱的地方。星系互相碰撞的频率比今天要高得多,而且在星系内部是混乱、笨拙的块状恒星。那时并没有地方可以容纳像银河系或仙女座星系这样整齐、精美的螺旋形星系。

    然而,通过对大爆炸数十亿年才形成的几百个星系拍照,一组天文学家在当时混乱的宇宙中发现了一颗钻石。研究者发现了一个罕见的早期星系,有显著的螺旋臂。他们把这个结果发表在7月19日出版的《自然》杂志上。这个星系独特的环境也许能帮助解释,为什么那时螺旋形结构如此罕见。(《科学美国人》是自然出版集团的一部分。)

    这个新发现的星系名叫BX 442,在哈勃望远镜拍摄的306个星系中可以看到它独有的螺旋状结构。这306个星系的红移在1.5至3.6之间,对应的时间大约为93亿年到119亿年。(红移是宇宙学中距离的一种量度,表示一个物体发出的光在通过一个膨胀中的宇宙时波长的延长。)BX-442是这些星系中唯一能看出螺旋形结构的,它的红移是2.18,对应大约107亿年前,也就是大爆炸发生后仅仅30亿年。它似乎满足宏观螺旋星系(grand-design spiral galaxy)的特征,这种星系在盘面上有显著的、定义明确的螺旋臂。

    研究论文的主要作者大卫·洛(David Law)是加拿大多伦多大学的一名天文物理学家。他说:“我们在这个星系中看到了宏观螺旋星系的特征,而且它有点出人意料。我们并没预料到会发现这个。我们研究的其他300多个星系和其他研究中的许多星系都没有这样的图案。”

    现代宇宙中螺旋星系很常见,但当天文学家将目光投向宇宙深处离我们越来越远——因此在时间上越来越久远的物体时,螺旋结构开始逐渐消失,这就是为什么BX 442成了一个如此有趣的研究案例。

    “他们说得对,它是独一无二的,”IBM在纽约约克敦海茨的T.J.沃森研究中心的天文学家布鲁斯·爱姆格林(Bruce Elmegreen)说,“一段时间以来,我们都知道在这样的红移范围内存在着星盘。星盘并不奇怪,而且一般来说有星盘的地方附近就有螺旋臂。但在这些红移范围内,我们从未观测到螺旋臂,这是一个谜。”

    天文学家看到的不是古老的螺旋,而是粗笨的团状星系,正在通过一团糟的宇宙。“正在这些红移范围内,用哈勃望远镜观察到的星系密度几乎是无规律、特殊的,”英国诺丁汉大学的天文物理学家克里斯多夫·康塞利斯(Christopher Conselice)说,“这些星系中的大多数正在相互碰撞、兼并。”而且它们中的恒星通常不被限制在平坦的、薄薄的,甚至还在旋转的星盘中。

    BX 442也一样,它内部的恒星分布也比较混乱,似乎被搅动过一样。但一个规则的螺旋形结构却不知怎么出现了,也许是因为最近和一个小得多的行星猛烈相撞产生的。对于这个罕见的螺旋形结构,洛说:“我们认为,它最大的与众不同之处在于附近有一个小小的伴星系。”

    去年的一项研究显示,射手座的矮星系——银河系的一颗卫星,可能可以解释我们这个星系螺旋形结构的由来。当射手座穿过较大星系的平面时,它足以摧毁一个均匀的星盘,把它变成一个普通的螺旋。类似的机制也许可以解释BX 442不寻常的螺旋特征。利用计算机模拟,研究者发现这样的吸引力确实足以影响较遥远的星系,把它变成螺旋形结构。但是,如果这种形变是一个伴星系引起的,它就不会持久。洛说:“如果是这种情况,那么我们现在看到的场景可能在一亿年左右之内消失。”

    螺旋形结构在那个时代的变化特征可以解释,为什么洛和他的同事在他们研究的星系中仅仅发现了一个螺旋。实际上,在BX 442发出的光到达地球的几十亿年中,它可能已经演化成了不同的形状。康塞利斯说:“我们无法断定这个螺旋星系后来发生了什么,这不是一种形状固定不变的星系。”

    爱姆格林指出,BX 442也可能没有受到它的邻居的影响,就形成了自己的螺旋状结构。星系中团状的恒星和气体也可能产生螺旋结构,而且BX 442的一个螺旋臂上似乎含有至少一个大型星团。“它们搅动周围的一切,而且似乎每个星团都能产生自己的潮汐尾(tidal tail)。这样很容易就形成了第三个螺旋臂,这样星系就有三个螺旋臂了。”

    塑造一个螺旋形星系的方式可能有许多种。也许在下一轮的观察中,例如NASA的韦伯太空望远镜投入使用之后,能发现更多的研究案例。但在那之前,天文学家只好依靠像BX 442这样单一的样本,探索在宇宙历史的不同阶段螺旋形结构产生的主要原因。康塞利斯说:“我们不能很好地解释螺旋形结构是怎样出现的。我们不能回答的问题还有很多。”

    (环球科学 戚译引)

    原文链结:[科学美国人]

    https://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=grand-design-spiral-bx442

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