点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

星系的边界在哪里?

来源:光明网2020-10-29 14:09

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  天文学上,定义及寻找一个天体系统的边界往往是一件富有挑战的事情。就我们的太阳系而言,如果以主行星系统为界,那么看似随着冥王星的降级,海王星的轨道便是边缘。但实际上,海王星以外还存在彗星和小行星等天体。

  和其他恒星一样,太阳诞生于气体云,太阳系外围的残留星云被称作“奥尔特云”(Oort Cloud,见图1)。太阳系主行星区域及奥尔特云交界的地带存在名为“柯伊伯带”的尘埃盘(Kuiper Belt),是太阳系内彗星的主要来源地。

星系的边界在哪里?

图1. 太阳系的主行星区域、柯伊伯带及奥尔特云(图源:NASA)

  在当时的新闻发布会上,美国宇航局宣布上个世纪发射的旅行者一号及二号探测器飞过了日球顶层(Heliopause),进入星际空间。而如果定义柯伊伯带或奥尔特云为太阳系的边缘,那么旅行者号距离飞出太阳系的目标还尚远。

  定义我们太阳系的边界尚且如此具有不确定性和挑战性,那么如何定义宇宙中各类形态及大小不同的星系的边界呢?

  星系外围的暗物质晕

  科学家们认为星系由看不见的“暗物质晕”包裹(见图2),这团晕跨越了巨大的空间尺度。拿我们的银河系来举例,其外围暗物质晕可延展至星系盘尺度的十倍开外(银盘的直径约为100,000光年)。

  除去气体,这团暗晕中存在诸多恒星、星团及较小质量的卫星星系等天体。广义上,星系的边界应被定义为包含这些天体的一个合适的距离。但我们无法直接观测暗物质,对这团暗晕边界的定义往往较为模糊且需要依赖于理论模型。

星系的边界在哪里?

图2. 星系由暗物质晕包裹

  传统的宇宙结构形成理论指出,暗物质晕的位力半径可被定义为某一距离,该距离内的平均物质密度等于一定倍数的宇宙临界密度或平均物质密度。位力半径描述了处于平衡态的暗晕的大小,而暗晕往往在持续长大,其结构能够连续地延展到位力半径以外更远的地方。

  近年来有科学研究将落入暗晕中的物体环绕一圈后所能回转到的最远距离定义为回溅半径,用以描述增长中的暗晕的引力范围[1]。也有研究指出暗晕在吸积周边物质的过程会形成所谓的挖掘边界[2],可作为对其成长中的边界的自然定义。

  暗物质的引力对恒星、气体和卫星星系的分布起了决定性的影响,所以观测上可以利用这些示踪天体对暗晕的各种边界进行间接限制。

  既然在可见光波段是难以直接观测暗物质的,那么对位于暗晕中心的星系本身来说,其发光的恒星物质的边界又在哪里呢?

  可见光波段星系的边界

  我们先来看看,随着天文观测的曝光时间及图像分辨率的改变,同一个星系看上去的细节和大小变化。

  图3所展示的是一个椭圆星系及一个漩涡星系的图像。最下一行是在美国阿帕奇天文台的2.5米口径望远镜上进行的斯隆数字化巡天的图像;中间的图像来自于智利的萨拉托洛洛天文台4米望远镜上进行的The Dark Energy Camera Legacy 巡天(DECaLS);最上一行是在日本8米口径的昴星团望远镜上进行的Hyper Suprime-Cam巡天所拍摄的照片。

星系的边界在哪里?

图3. 一个椭圆星系(左)及一个漩涡星系(右)。从下往上依次对应了三个深度和分辨率不同的巡天(图源:取自[3],对应的巡天网站的公开数据)

  随着曝光深度和分辨率从下往上的依次递增,星系的结构被越来越清晰地展现,星系的大小也看起来更延展。原本在较短的曝光时间下难以被观测到的星系外围的结构,随着曝光时间的增加便更容易地浮现出来了。

  实际上,星系外围存在着一团由弥散的恒星所组成的低面亮度延展恒星晕。理想情况下,如果不存在天光背景污染、大气和仪器散射等因素,随着曝光深度的不断增加,越来越多的星系外围的低面亮度结构将可以被观测到,星系的大小会看起来越来越延展。这些低面亮度的结构在众多的单个近邻星系周边已被明显观测到,有些图像甚至是借助小型的爱好者所使用的望远镜来拍摄的(见图4)。

星系的边界在哪里?

图4. NGC2275周边的低面亮度延展结构,图像是借助小型的天文爱好者望远镜所拍摄的(图源:取自[4])

  然而,对较远较暗的星系,以及在距离星系中心较大的尺度上,这些恒星晕的强度要远小于天光背景。只有当天光背景及其他与地球大气或仪器相关的系统误差被准确地扣除后,星系外围的恒星晕信号才能得到正确的展现。

  所以即使通过在可见光波段的恒星物质来定义星系的边界,也是一项具有挑战性的任务。通过叠加不同的星系图像来增强信噪比,天文学家能够得到位于红移0.1到0.5(对应距离约400到1,900兆秒差距)的星系周边,延展到上百千秒差距甚至上兆秒差距的恒星晕信号[5,6,7,8](1秒差距约为3.26光年或31兆公里)。

  星流和恒星晕的形成

  星系外围的这团恒星晕来源于周边的卫星星系及球状星团。在巨大的潮汐作用下,卫星星系或球状星团逐渐变形并被瓦解,其自身的恒星被不断剥离,形成卫星星系前后的带状星流结构(见图5)。

星系的边界在哪里?

图5. 银河系周边的带状星流(图源:NASA)

  随着时间的流逝,这些连贯的星流将变得越来越弥散,形成星系外围的恒星晕(见图6)。最终,这些卫星星系及星流将成为位于暗物质晕中心的星系的一部分。

星系的边界在哪里?

图6. 数值模拟预言的星流及星晕的形态(图源:[9])

  人类的寿命有限,我们无法直接观测这些星流及恒星晕的完整形成过程,科学家们所能窥见的仅仅是它们演化过程中的一个瞬间。

  即便如此,天文学家们依旧能够通过当前的观测来设法推知星系过去的形成和演化历史。比如,借助Gaia卫星对银河系内恒星的观测数据,天文学家们在速度空间找到了一个矮星系的残骸,说明银河系在约100亿年前曾与质量为前身星系四分之一左右的星系发生并合[10,11](见图7)。

星系的边界在哪里?

图7. 约100亿年前,银河系曾与名为Gaia-Enceladus的星系发生并合,形成了一部分厚盘及恒星晕中的恒星(图源:Gabriel Pérez Díaz, SMM/IAC)

  40多年前发射的旅行者号,目前已经距离地球家园约200亿公里,但其仍未完全地飞出太阳系。我们的地球在广袤无垠的宇宙中仅仅是一粒微尘。假如某一天人类能够做到如科幻小说中描述的场景般飞出银河系,探索深邃的宇宙,那将是无比激动人心的未来。

  参考文献:

  [1] More, S., Diemer, B., Kravtsov, A.V., The Splashback Radius as a Physical Halo Boundary and the Growth of Halo Mass, 2015, ApJ, 810, 36

  [2] Fong, M., Han, J., A natural boundary of dark matter halo revealed at the minimum bias and maximum infall location, arXiv2008.03477

  [3] Wang, W., Takada, M., Li, X., Carlsten, S.G., et al., A comparative study of satellite galaxies in Milky Way-like galaxies from HSC, DECaLS and SDSS, arXiv2009.06882

  [4] Martinez-Delgado, D., 2001,arXiv2001.05746

  [5] Tal, T., van Dokkum, P.G., The Faint Stellar Halos of Massive Red Galaxies from Stacks of More than 42,000 SDSS LRG Images, 2011, ApJ, 731, 89

  [6] D’Souza, R., Kauffman, G., Wang, J., Vegetti, S., Parametrizing the stellar haloes of galaxies, 2014, MNRAS, 443, 1433

  [7] Zhang, Y., Yanny, B., Palmese, A., Gruen, D., Dark Energy Survey Year 1 Results: Detection of Intracluster Light at Redshift ∼ 0.25, 2019, ApJ, 874, 165

  [8] Wang, W., Han, J., Sonnenfeld, A., Yasuda, N., The stellar halo of isolated central galaxies in the Hyper Suprime-Cam imaging survey, 2019, MNRAS, 487, 1580

  [9] Cooper, A.P., Cole, S., Frenk, C.S., et al., Galactic stellar haloes in the CDM model 2010, MNRAS, 406, 744

  [10] Belokurov, V., Erkal, D., Evans, N.W., Koposov, S.E., Deason, A.J., Co-formation of the disc and the stellar halo, 2018, MNRAS, 478, 611

  [11] Gallart, C., Bernard, E.J., Brook, C.B., Ruiz-Lara, T., Uncovering the birth of the Milky Way through accurate stellar ages with Gaia, 2019, Nature Astronomy, 3, 932

  作者简介:王文婷,上海交通大学天文系副研究员。中国科学院上海天文台博士,英国杜伦大学博士后、日本东京大学卡维理数物连携宇宙研究所博士后。研究方向涉及星系形成和演化、近场宇宙学、银河系动力学质量测定等,并获自然科学基金委优秀青年科学基金资助。

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 西藏各族各界干部群众庆祝西藏和平解放75周年

  • 山东港口日照港前四个月集装箱吞吐量同比增长6.5%

独家策划

推荐阅读
5月22日上午,在2026年文化强国建设高峰论坛“人工智能与媒体变革”分论坛上,中宣部副部长、国务院新闻办公室主任莫高义发表主旨演讲。
2026-05-22 13:22
中国科学技术大学何俊峰教授研究组与南方科技大学薛其坤院士、陈卓昱副教授研究组合作,在新型镍基高温超导的机理研究中取得重大突破。
2026-05-22 10:19
近年来,生产环节的技术革新,推动缝纫线产业转型向着上游拓展。
2026-05-22 10:19
在系列政策牵引下,学科专业动态调整正日趋常态化、精细化与特色化。
2026-05-22 10:14
“十五五”时期,如何推动我国生物多样性保护迈上新台阶?应着力在以下方面下功夫。
2026-05-22 10:13
当AI把数小时的工作压缩到转瞬之间,一个核心问题不得不让人思考:AI时代,未来教育最该培养学生什么能力?
2026-05-22 10:11
2026年亚太经合组织(APEC)贸易部长会议将于5月22日至23日在江苏省苏州市举办。苏州高新区镇湖绣娘姚琴华、岳琰创作的苏绣作品《朱荷图》《太湖一梦入姑苏》也一同展出。一根丝,在绣娘手中可以绣出江南山水;在现代工厂里,也可以进入高端面料、工业材料、绿色纤维和全球供应链。
2026-05-21 09:35
残障群体对无障碍环境建设最为敏感、利益最为攸关,但其话语权也相对较弱。不断完善相关法律体系,以充分保障残障群体在无障碍环境建设中各项权利。
2026-05-21 09:33
光,是宇宙中最神秘而又最常见的存在。从彩虹与翅膀的启示,到光子晶体与超材料的设计,人类在光学材料上的探索不断深化,实现了从“理解自然之光”向“设计与驾驭光”的飞跃。
2026-05-21 09:31
全球气候变化加剧,干旱灾害频发,正威胁世界粮食安全。
2026-05-21 09:30
2026年5月21日至23日,中国科学技术馆在河南省科学技术馆举办“全国科学家故事馆校众创展演活动”。
2026-05-21 09:27
近日,中国工程院院士、西安电子科技大学教授段宝岩率领团队自主研制的一对多动目标微波无线传能地面验证系统取得重大突破,在百米级距离实现了千瓦级的直流输出功率,直流—直流传输效率达到20.8%,波束收集效率高达88.0%。
2026-05-20 09:42
5月18日,随着“雪龙2”号凯旋,中国第42次南极考察圆满落下帷幕。
2026-05-20 09:37
逛一座馆,见证玻璃工业百年变迁。参观工业博物馆,一件件展品记录的是中国制造的发展史,是从落后到并跑、领跑的奋斗史。让我们以工业博物馆为支点,撬动工业旅游这个大市场,以工业文化涵养制造强国建设。
2026-05-20 09:34
近日,中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称天津工生所)糖生物合成与绿色制造攻关团队的研究成果被期刊接收。
2026-05-20 09:27
天津市河西区陈塘庄街道社区的医生向我们反馈,预警模式实现了高危人群的精准干预,社区脑卒中发病率与复发率明显下降。
2026-05-20 09:16
“雪龙2”号极地科考破冰船18日抵达上海,这标志着中国第42次南极考察圆满结束。
2026-05-19 09:54
5月18日,中国第42次南极考察圆满结束。中山大学共有4名老师参与本次任务——大气科学学院教授韩博,遥感科学与技术学院副教授梁琦、叶玉芳、王绍银。
2026-05-19 09:53
“琅琊”海洋大模型现已在国家海洋环境预报中心部署测试运行,实现实景应用。这意味着,这个从青岛走出的AI模型,开始真正为国家海洋预报工作贡献力量。
2026-05-19 09:52
打破传统学科分立格局,发挥工科见长优势,以工程需求催生基础研究、以基础研究赋能工科升级。
2026-05-19 09:50
加载更多