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

  • 德拉埃斯普列亚宣誓就任哥伦比亚总统

  • 南水北调中线工程调水突破800亿立方米

独家策划

推荐阅读
这不只是一幅地质图,还是一套中国自主的图例标准。
2026-08-07 09:48
最近不少“中国神器”在全球刷屏。这些出圈的国货新品,早已摆脱低端代工、低价走量的旧标签,折射出中国制造的创新迭代与品质跃升。国货新品不断出圈、新产业蓬勃发展的背后,是中国制造的硬核实力。
2026-08-07 09:47
今年7月,国家药监局批准全球首个选择性食欲素2型受体激动剂上市,用于治疗16岁及以上青少年和成人1型发作性睡病。5月,恒瑞医药与百时美施贵宝达成新药授权合作,确定性付款9.5亿美元……今年以来,我国新药的好消息不断。
2026-08-07 09:47
在数据要素赋能方面,2025年国家数据局发布了100个公共数据“跑起来”示范场景,联合19个部门组织举办2025年“数据要素×”大赛并发布241个典型案例。
2026-08-07 09:46
近日,北京市14家市属公园陆续迎来多款机器人“新员工”,它们在公园“上岗”,承担清洁清扫、智慧巡检、问询导览、水面救援、绿化养护、生态监测等多项任务,将智慧服务融入公共生活。
2026-08-07 03:10
团队攻克了满足多功能、智能化的海缆敷设双通道布缆作业系统设计技术,使作业系统具备高度自动化和智能化水平。
2026-08-06 09:48
近日,云深处自主研发生产的四足机器人完成海关通关后出口瑞士,用于当地厂区安防、地下管网隐患排查等业务场景。“核电安全标准严苛,产品能够在瑞士核电站成功落地,充分印证国产机器人的稳定性和可靠性,我们已达成扩产合作意向。
2026-08-06 09:48
记者6日从中国科学院高能物理所获悉,我国科研人员领衔的北京谱仪Ⅲ实验国际合作组,历经15年实验研究,首次证明一类全新物质形态——胶球的存在。
2026-08-06 09:47
记者5日从中国科学院近代物理研究所获悉,该所科研团队与合作者依托强流重离子加速器装置(HIAF),成功产生并鉴别了稀有原子核铪-153。实验中,团队利用HIAF增强器提供的铋-209束流轰击石墨靶,通过弹核碎裂反应产生放射性核素。
2026-08-06 09:47
记者日前从陆军军医大学新桥医院血液病医学中心获悉,由该中心张曦教授和宋清晓研究员领衔的研究团队,首次揭示了皮肤慢性移植物抗宿主病(cGVHD)“久治难愈”的核心机制,找到了打破纤维化恶性循环的关键“开关”。
2026-08-06 02:30
最初,动画和实拍泾渭分明,然而随着手工转描、仿真合成、运动捕捉这类手段的引入,动画和实拍开始相互渗透。AI对动画与实拍的缝合,会将影像艺术彻底引向“泛动画”的时代。
2026-08-05 09:33
衣服透气不闷汗、个性化定制汽车交付快、人形机器人型号多,商品性能更好、生产效率更高、创新活力更足……近年来,这些生产生活中的变化,折射出纳米制造、柔性制造、共享制造等新趋势。
2026-08-05 09:26
在这样的微观世界里,科学家操控原子和分子,设计制造具有特殊性能的新材料、新器件,这就是纳米制造。目前,纳米制造已经实现在原子分子量级设计新材料,按需定制材料的储能、催化、防腐、导电等特性,突破传统制造的性能天花板。
2026-08-05 09:26
近日,中国农业科学院都市农业研究所联合国内外科研单位,发现了改良生菜体内的营养和风味物质的基因密码。生菜在被人类驯化与改良的漫长过程中,口感和营养发生显著变化,这背后离不开关键基因的“调控”。
2026-08-05 09:24
当地时间3日,在意大利佛罗伦萨举办的第46届国际空间研究委员会(COSPAR)科学大会上,中国气象局王劲松研究员荣获威廉·诺德伯格奖章。王劲松是首位获此殊荣的中国科学家,并同步获得一颗小行星命名。此次获奖表明,我国空间科学与应用领域研究成果获得国际学术界高度认可。
2026-08-05 07:40
石墨烯,单层碳原子排成的蜂窝薄膜,薄到极致。但把它一层层摞起来时,层与层之间如何错位——用专业术语叫作堆垛方式——会彻底改写材料的“脾气”。
2026-08-04 03:05
中国石化重庆川维化工公司5万吨/年特种聚乙烯醇(PVA)树脂装置日前顺利一次开车成功并产出合格产品,首批货品已发往欧洲。至此,川维化工PVA总产能达21万吨/年,跃居全球单一工厂中最大的高端PVA生产基地。
2026-08-04 03:05
菱方堆垛的石墨烯有一个天然“超能力”:电子彼此间的相互作用强,集体表现出超导、磁性等奇特行为。这在物理学上叫“强电子关联”——电子不再是各自乱跑的粒子,而是有着充分沟通的步调一致的集体,像一支训练有素的“乐队”。
2026-08-04 03:05
今年上半年,人工智能领域一系列标志性成果密集落地。在技术、应用、生态、治理的协力牵引下,人工智能产业迸发出前所未有的发展活力,赋能实体经济的成效持续凸显。
2026-08-04 09:31
近日,由人力资源社会保障部、安徽省人民政府共同主办的“创赢未来”创业大赛(以下简称“大赛”)全国赛在安徽合肥圆满收官。在大赛同步举办的创业安徽成果展区,一瓶瓶单原子农药整齐陈列,它们同样是“人工智能+创业”的杰作。
2026-08-04 09:31
加载更多