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

  • 广西:凝心聚力 恢复生产生活秩序

独家策划

推荐阅读
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上强调,“十五五”时期是科技强国建设的关键攻坚期。必须抓住历史机遇,迎接时代挑战,加快推进高水平科技自立自强,向着到2035年建成科技强国的目标坚定迈进,扎扎实实以科技创新支撑和引领中国式现代化。
2026-07-10 09:45
围棋长期被视为高度依赖经验、直觉和审美判断的领域,棋手通过棋谱、布局、定式、手筋和长期对局积累对“好棋”的理解。这类进展的意义,不只是“提高实验效率”,更深层的变化在于,它改变了科学发现中“候选对象”生成的方式。
2026-07-10 09:43
丁烈云认为,面向工程难题,要用工程理论支撑技术突破,打通“工程科学—工程技术—产业应用”完整链条,让前沿科技真正服务于社会。针对高端装备制造转型升级痛点,中国工程院院士郭东明系统阐释了高性能制造的全新发展理念。
2026-07-10 09:41
在9日举行的两院院士大会上,我国石油地质与勘探专家邱中建院士荣获第十六届光华工程科技奖成就奖,高性能精密制造专家郭东明院士等39人荣获光华工程科技奖。
2026-07-10 09:40
人民大会堂万人大礼堂的巨大天幕上,灯光璀璨,熠熠生辉;礼堂内,中国科技界的杰出代表们,肩负全国科技工作者的重托,济济一堂、共襄盛会。
2026-07-10 09:39
水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究:在一滴水中探寻物理之美 在王恩哥看来,物理学研究有一个很大的特点,就是它能把复杂的事情简单化,并且抓住其中最本质的问题——这就是物理学的魅力所在。
2026-07-09 09:51
而这一切的起点,要回到半个世纪前——在中国科学院物理研究所那间废弃的鸡舍里,陈立泉铺开了这张后来冠绝全球的“电动”蓝图。自1981年起,在中国科学院的持续支持下,实验室瞄准真正实用的锂电池,牵头组织并承担了一系列国家重大项目。
2026-07-09 09:51
谈及荣获国家最高科学技术奖,贲德谦虚地说:“这不是我个人的奖,而是所有‘雷达人’的荣誉。从原理探索到技术攻关再到雷达建造,10余载春秋,为了研制代号“7010”的远程相控阵雷达,贲德与团队闯过了一个又一个难关。
2026-07-09 09:50
发展数智经济,通过促进科技创新和产业创新深度融合培育新质生产力。为此,笔者建议,应从要素供给、产业融合、创新转化和制度保障四个方面发力,把数智经济的技术势能转化为新质生产力的发展动能。
2026-07-09 09:50
耄耋之年,她坐着轮椅来到采访室,一身深蓝素装,神情温和。她,就是“七一勋章”获得者、中国工程院院士、中南大学教授钟掘。1960年,钟掘毕业后来到岳麓山下的中南矿冶学院,一头扎进被人称作“傻大黑粗”的冶金机械行业。
2026-07-09 09:49
中国科协第十一次全国代表大会是在“十五五”开局之年召开的一次重要会议,是科协系统和广大科技工作者的一次盛会。实践充分证明,我国科技工作者始终胸怀祖国、服务人民、勇攀高峰、敢为人先,不愧为党和国家充分信赖的优秀队伍和建设科技强国的中坚力量。
2026-07-09 09:49
从安装智能芯片的比赛用球,到协助裁判的视频技术,再到支持百万球迷转运的中国列车……这支“中国队”被美国消费者新闻与商业频道誉为世界杯供应链“不可或缺的一环”。
2026-07-08 10:08
7月7日是小暑节气,恰逢年度“最小太阳”现身天宇。当日凌晨2时左右,地球过远日点,这是一年中地球距离太阳最远的位置,这天观测到的太阳视直径为全年最小。
2026-07-08 10:06
近日,西南石油大学新能源与材料学院光伏材料与技术科研团队传出好消息:其研发的小尺寸超高效叠层太阳能电池光电转换效率接近35%,大幅超越常规太阳能电池的光电转换效率。
2026-07-08 10:04
目前,大连海事大学已与72家行业单位建立联合培养,共建162个专业实践基地、4个工程技术中心,聘任600余名企业导师,真正实现“工程出题、校企共答、产业阅卷”。
2026-07-08 09:52
一生钢铁报国,一生慷慨无私。崔崑院士走了,但他留下的,是钢的筋骨,是火的温度,是一颗永远滚烫的赤子之心。
2026-07-08 09:45
在河北雄安人工智能产业园的一楼展厅里,一台工业机器人正利落地演示货物搬运,机械臂精准而有力;楼上,键盘敲击声此起彼伏,研发人员专注地写着代码。产业园一年前才“开业”,如今已成为人工智能公司发展的产业高地。这里诞生的国内首个处理结构化数据的通用大模型,适用于多个工业场景;这里诞生了便携式颅脑出血检测分析仪,让医学检查更加快捷便利……
2026-07-07 09:44
从“争第一”的局部超越,到“创唯一”的向上突围,再到“守专一”的产业韧性,这三重创新路径相互交织,共同勾勒出中国从“世界工厂”迈向“创新引擎”的壮阔图景
2026-07-07 09:42
近日,在内蒙古阿拉善盟额济纳旗东风镇古日乃嘎查的航天育种试验基地内,曾搭载实践十九号卫星的荒漠肉苁蓉“太空种子”,在地面选育试验中取得关键进展——首批试验植株成功开花。
2026-07-07 09:40
高校专业目录的更新,绝非简单的名称变动,而是立足国家需要、顺应产业发展、面向科技前沿之举。新农科教育已不再是单纯的“种地养猪”,而是要有系统思维和交叉学科背景,特别是打破农学、工学、理学等传统学科壁垒。
2026-07-07 09:39
加载更多