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

  • “三夏”沃野抢收忙

  • 擦亮“秘色瓷都”品牌 推动产业融合发展

独家策划

推荐阅读
记者从农业农村部获悉,截至5月28日17时,各地已收夏粮小麦4897万亩、当日机收面积超过1000万亩,今年全国“三夏”大规模小麦机收全面展开。
2026-05-29 09:11
垦利10-2油田位于渤海南部海域,探明原油地质储量超1亿吨,是渤海湾盆地凹陷带浅层发现的首个亿吨级岩性油田。中国海油天津公司工程技术作业中心相关负责人介绍:“垦利10-2油田钻完井作业面临井型多、层系多、开发方式多等‘三多’难点。
2026-05-29 09:09
早上8时许,四川省南充市高坪区走马镇姜家祠村村民姜萧将孩子送到村委会“农忙托管班”。为解决农忙季小孩看护缺位问题,姜家祠村因地制宜开设季节性公益“农忙托管班”,为村内适龄儿童提供免费集中托管服务。
2026-05-29 09:06
中国卫星导航定位协会近日发布《2026中国北斗时空产业发展白皮书》。所谓“北斗时空产业”,是以北斗卫星导航系统为核心,深度融合遥感地理信息、移动通信等多种技术手段的综合性产业体系。
2026-05-29 09:02
据中国载人航天工程办公室消息,神舟二十一号和神舟二十三号航天员乘组于28日进行交接仪式,两个乘组移交了中国空间站的钥匙。
2026-05-29 08:52
  人工智能(AI)正以前所未有的速度重塑着教育形态。放眼全球,AI与教育深度融合已不是“未来时”,而是汹涌澎湃的“现在进行时”。在这场由硅基智慧引发的教育革命面前,世界各国都在“大显身手”,基于各自特有的文化背景、教育传统与国家发展战略定位,在“AI+教育”的实施路径上展现出“百花齐放”之势。
2026-05-28 02:10
  当前,我国科普阅读需求呈现出高意愿、高黏性、高集中度的特点。调研显示,成人科普图书核心读者以36岁以上成熟群体为主,占比达82%,女性读者占62%,绝大多数为本科学历以上,企业技术人员、教育科研工作者、都市职场人构成消费主力。超过六成读者每周阅读三次以上,近三分之一年均阅读10本以上,阅读稳定性显著高于其他大众图书。
2026-05-28 02:10
站在河北沧州南皮县乌马营镇徐和杨村的航丰家庭农场地头,放眼望去,成方连片的小麦已泛起嫩黄,一派“小满未满,将熟未熟”的景象。
2026-05-28 02:00
中国社会科学院考古研究所(中国历史研究院考古研究所)27日发布最新成果。2025年9月至今,考古研究所已出版考古报告13部,专著、学术资料、科普读物13部,图录、论文集、数据集8部,中英文顶级、权威期刊上的简报、论文30余篇,并积极建设实验室集刊平台。
2026-05-28 02:00
27日0时16分,我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭,成功将通信技术试验卫星二十四号发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-05-28 01:40
在提交毕业论文终稿的最后时刻,辽宁省某高校教育学专业研二学生宋耘(化名)还是选择了求助某“专门降论文AIGC(人工智能生成内容)率”的商家。
2026-05-28 01:40
中国卫星导航定位协会近日发布的《2026中国北斗时空产业发展白皮书》显示,2025年,北斗时空产业总产值达到13323亿元。北斗核心产品持续迭代升级,芯片、模组等基础产品小型化、低功耗、高精度水平不断提升,国内主流手机北斗定位精度持续优化,为产业规模化应用奠定了坚实的技术基础。
2026-05-27 09:36
5月27日0时16分,我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭,成功将通信技术试验卫星二十四号发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-05-27 09:26
“十五五”规划纲要提出,投资于物和投资于人紧密结合。
2026-05-27 03:00
大屏幕上的数字快速跳动。十几轮激烈竞逐后,最终定格在212.4万元,成交!这是日前记者在湖北碳排放权交易中心电子竞价大厅看到的一幕。
2026-05-27 03:10
检测AI率,目的是维护学术研究的严肃性公平性,督促学生遵守学术规范、产出原创成果。然而,在现实操作中,一系列困扰学生乃至老师、学校的问题接连显露。
2026-05-27 02:50
位于北京大兴区的长子营湿地公园,草木葱茏,水面澄澈,鸟鸣声清脆悦耳,勾勒出一幅生机盎然的生态画卷。
2026-05-26 09:24
我国虽然核电铀燃料对外依存度高,但钍资源储量丰富,目前探明钍储量位居世界第二。以钍作核燃料不仅符合我国资源禀赋,甚至可能改变未来全球能源格局。
2026-05-26 09:18
我国已累计发布1750项食品安全标准,涉及2万多个指标,覆盖340多种食品类别,持续完善科学严谨、好用管用的食品安全标准体系。
2026-05-26 09:11
入汛以来,全国平均降水量达110.1毫米,较常年同期偏多18.6%。从空间分布来看,我国南北方均出现降水量较常年同期明显偏多区域。
2026-05-26 09:11
加载更多