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

正在阅读:身怀“隐身”绝技的星系
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

身怀“隐身”绝技的星系

来源:光明网2021-06-11 10:10

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  在广袤无垠的宇宙中,存在着这样一类星系,它们的单位面积上的亮度(面亮度)比夜晚星空的天光背景还要暗弱,因此它们被冠以“低表面亮度星系”的称号 (Low Surface Brightness Galaxies- LSBG; 图1)。面亮度暗于夜天光背景的特质,使LSBG难以被光学天文望远镜探测到,因此它们仿佛“隐身”在夜空中星系。

身怀“隐身”绝技的星系

图1. 低表面亮度星系Coma P (AGC 229385)图像。红色椭圆圈出的是Coma P(图源:Brunker et al. 2019)

  LSBG的“脱颖而出”颇为曲折。早在1970年,天文学家Freeman对36个漩涡星系和透镜星系开展测光研究,发现其中28个星系的中心面亮度集中在μ0=21.65± 0.30 mag/arcsec2,从而得出Freeman Law:所有盘状星系的中心面亮度是一致的常数μ0(Freeman 1970)。言下之意,宇宙中没有星系的中心面亮度比μ0亮,也没有星系的中心面亮度比μ0暗。

  然而,天文学家Disney于1976在Nature杂志公开发表质疑,认为Freeman Law在面亮度暗端反映的不是星系的真实分布,而是观测的面亮度选择效应所导致的有偏结果(Disney 1976)。

  在Disney观点的支持者中,McGaugh S.无疑发出了最强有力的声音。他收集并分析了80年代至90年代观测到的星系数据,发现这些星系(图2,不同形状的符号)的中心面亮度分布一直延伸到比Freeman常数低(暗)2星等的暗端,完全不符合Freeman Law(图1,黑实线)在暗端的结论,从而坐实了Freeman Law是由观测的面亮度选择效应所导致的有偏结论(McGaugh, Bothun & Schombert 1995 - MBS95)。

身怀“隐身”绝技的星系

图2. 星系的中心面亮度分布。横轴表示星系的中心面亮度,从暗(左)到亮(右);纵轴表示在每个中心面亮度区间内的星系的相对数量。不同形状符号代表从不同文章中收集到的星系,黑实线表示Freeman Law主张的盘状星系的中心面亮度分布(图源:MBS95)

  尽管如此,作为第一个关于星系面亮度分布的定量化结论,Freeman Law对后续的研究发展起到至关重要的推动作用。

  事实上,受限于早期望远镜的探测能力,Freeman的样本是不完备的,缺失了LSBG,而Freeman常数几乎就是大多数地面观测站的夜天光背景的典型值。因此,那些中心面亮度比夜天光背景至少暗1星等,即B波段的中心面亮度暗于22.5 mag/arcsec2 的星系便被顺理成章地定义为LSBG( Impey 1997)。

  据研究推算,LSBG的数量庞大,占宇宙中星系总数量的50%以上(MBS95; McGaugh 1996),在宇宙中占据重要地位,对河外天文研究领域(例如,光度函数、暗星系、Lyman alpha吸收系统、星系形成理论等)和宇宙学研究领域均具有不可忽视的影响。

  符合LSBG定义的星系类型多样。矮星系由于自身光度低,且绝大多数具有低表面亮度,因此低表面亮度矮星系(LSB dwarf)占据了LSBG家族成员的半壁江山;其中,有一类特殊的LSB dwarf,它们论光度和质量是常规矮星系,但它们自身尺寸却远大于常规矮星系,几乎与银河系大小相当。因此,这类LSB dwarf在空间上极为延展和弥散,被称为超弥散星系(Ultra Diffused Galaxies - UDGs)。

  UDG是一种极端特殊的LSB dwarf,是指g波段中心面亮度暗于24 mag/sq. arcsec,但有效半径大于1.5 kpc的矮星系(van Dokkum et al.2015)。位于图3左图中心位置的星系DF17就是一个UDG,它在g波段的中心面亮度仅为25.1 mag/arcsec2,绝对星等仅为-15.2 mag,是一个不折不扣的LSB dwarf,但却拥有长达4.4 kpc的有效半径,个头超过了银河系。

身怀“隐身”绝技的星系

图3. 超弥散星系DF17(左图中心位置)和超弥散“暗物质缺失”星系NGC1052-DF2(右图中心位置)。左右两图不在相同的物理尺度下(图源:左图来自van Dokkum et al. 2015, 右图来自van Dokkum 2018)

  在标准宇宙学模型(Lambda-CDM)的框架下,宇宙中的暗物质质量约占27%,重子物质约占5%,暗能量占据剩下的68%。因此,整个宇宙中暗物质与重子物质的质量比值约为5,然而,这个比值在星系系统中会更高(可高达50)。例如:对于具有银河系恒星质量的星系,这个比值约为30 (van Dokkum 2018)。

  已有研究认为,对于LSBG,从星系中心到星系外围的各个半径处都由暗物质主导。然而,van Dokkum在分析NGC1052-DF2(图3右图中心位置星系)这个UDG的过程中,却发现其暗物质晕质量与恒星质量的比值不大于1,远远低于标准宇宙学模型的预测值。因此,他将这种UDG称为“缺失暗物质”的星系,对标准宇宙学模型提出了挑战。

  此结论于2018年在Nature杂志一经发表,便在河外天文和宇宙学领域轰动一时,引来了很多质疑声。但是,van Dokkum在随后的2019年又声称发现了新的“暗物质缺失”UDG(van Dokkum et al. 2019);还有其他几个研究团队也随之发表了独立发现的“缺失暗物质”的星系;例如,Mancera Pina团队发现6个”缺失暗物质”的UDG(Mancera Pina et al. 2019),国家天文台的郭琦团队发现了19个“缺失暗物质”的矮星系(Guo et al. 2019)。

  尽管如此,作为LSBG家族的极端分子,“缺失暗物质”的UDG仍然深处争议和被质疑的漩涡之中,但它们确为推动理论的继续革新打开了一扇窗。

  以高光度著称的巨星系,当星系盘极其延展的时候,它们的面亮度也会非常低,星系盘则呈现得十分暗弱,因此便成为LSBG家族名副其实的成员。至今,已发现的低表面亮度巨型星系(LSB giant)的数量稀少,不超过百位数;它们的共同点是:具有明显的星系核和极其延展暗弱的星系盘。

  人类历史上发现的第一个低表面亮度星系Malin 1(Bothun et al. 1987)就是一个低表面亮度的巨型星系(LSB giant)。图4展示的是Malin 1,这幅图是用位于夏威夷的Mauna Kea天文台的3.6米口径的CFHT 望远镜对Malin 1所在的天区,在光学u,g,i,z四个波段进行长时间曝光(u: 6402秒,g: 3170秒,i: 2055秒,z: 3850秒),并叠加这四个波段图像所产生的深度图像(Boissier et al. 2016),我们能从中清晰地看到Malin 1的旋臂和延展的星系盘。

身怀“隐身”绝技的星系

图4. 巨型低表面亮度星系Malin 1(图像中心略偏上的有清晰旋臂的最显著的大星系(图源:Boissier et al. 2016)

  论星系的大小,我们的银河系可称得上是一个较大的星系,但若把银河系和Malin 1的大小相提并论,那么如图5的对比图所示,银河系(右部人工嵌入的漩涡星系)俨然一位站在Malin 1(中心偏左的漩涡星系)这个“巨人”身旁的“小矮人”。

身怀“隐身”绝技的星系

图5. Malin 1(图片中心偏左的大漩涡星系)与银河系(图像右方人工嵌入的漩涡星系)的绝对尺寸对比图(图源:来自Philplait发表在互联网上的文章‘Is This the Biggest Spiral Galaxy in the Universe?’ 中的插图)

  事实上,Malin 1可探测到的星系盘直径是160 kpc (Galaz et al. 2015),约为银河系的5-6倍。迄今为止,Malin 1仍独步天下,是我们已发现的宇宙中最大的、星系盘最暗的漩涡星系。

  此外,还有大量的LSBG的光度介于矮星系和巨星系之间,它们大多看似正常面亮度的盘状星系,但看不到旋臂结构,没有明显的星系核。若与同光度的正常面亮度星系相比,它们的星系盘则更为延展,因此面亮度和恒星面密度更低。

  可见,LSBG家族的成员可谓“鱼龙混杂”,不可一概而论。但不同类型LSBG在绽放个性的同时,也存在共性的问题。例如,大部分LSBG富含中性氢气体,但当前的恒星形成活动水平却非常低。

  那么,是什么导致LSBG在富含恒星形成所需的“原始原料”-中性氢气体-的条件下,却没有活跃的恒星形成活动?有研究提出,LSBG居住在低密度环境中,从而与周围星系发生碰撞进而触发恒星形成的机会渺茫。类似这种关于LSBG的恒星形成和演化的问题,迄今仍是一个开放的、悬而未决的重要问题。

  长久以来,受限于地面望远镜的观测能力,我们获得的LSBG样本数量非常有限,并且几乎都处于近邻宇宙,面亮度相对高(22.5-25.0 mag/arcsec2),缺乏面亮度更低(暗于25.0 mag/arcsec2)或来自中高红移宇宙的LSBG,导致我们对面亮度极低的星系、中高红移宇宙中的低面星系的研究甚少,从而限制了我们研究LSBG庞大的家族对河外天文和宇宙学研究的影响。

  幸运的是,时下,国际上和国内越来越多的地面大口径望远镜和空间望远镜项目纷纷上马,例如,我国计划在2024年发射的空间站望远镜(Chinese Space Station Telescope - CSST),它们的巡天深度更深,能够探测到成规模的面亮度更低的星系,无疑将把LSBG研究推向更极端更广阔的物理空间。

  同时,我国的FAST望远镜的河外星系中性氢巡天数据,对本身就富含中性氢气体的LSBG的研究可谓增光添彩。因此,研究LSBG的黄金时期已经来临。

  作者:杜薇, 中国科学院国家天文台副研究、中国科学院青年创新促进会会员,从事低表面亮度星系的形成和演化研究。

  参考文献:

  Brunker et al. 2019, AJ, 157, 76

  Freeman K. C. 1970, ApJ, 160, 811

  Disney M. 1976, Nature, 263, 573

  McGaugh S., Bothun G., & Schombert J. 1995, AJ, 110,573

  Impey C. & Bothun G. 1997, AR&AA, 35, 267

  McGaugh S. S. 1996, MNRAS, 280, 337

  van Dokkum et al. 2015, ApJL, 798, 45

  van Dokkum et al. 2018, Nature, 555, 629

  Mancera Pina et al. 2019, ApJ, 883, 33

  Guo et al. 2019, Nature Astronomy, 4, 246

  Bothun et al. 1987, AJ, 94, 23

  Boissier et al. 2016, A&A, 593, A126

  Galaz et al. 2015, ApJL, 815, 29

  文稿编辑:蔡琳

[ 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

  • 贵州台江:“舞龙嘘花”庆元宵

  • 新春生产忙

独家策划

推荐阅读
中国人工智能发展与安全研究网络主办,上海期智研究院、清华大学人工智能国际治理研究院承办
2025-02-12 19:16
2025年,空天院合成孔径雷达科研团队将继续研制8颗“女娲星座”合成孔径雷达卫星,届时“女娲星座”20颗在轨雷达卫星将实现全球组网运行,对地观测能力将大幅提升。
2025-02-12 10:07
这并不是一辆普通的复古电车,而是一部使用了16K全息数字技术、AI技术与四轴动感震动系统的数字电车。
2025-02-12 10:06
科学家们发现,水波涉及复杂的流体力学效应,能够构造丰富的拓扑矢量场用于粒子的操控。
2025-02-12 09:59
通过打造与自然和谐共生的生态经济圈,让生态保护和可持续发展得以兼顾,天目山保护区的实践,吸引了越来越多的关注,也为全球生物多样性保护提供了可借鉴的路径。
2025-02-12 09:57
春节期间,全国科技馆以“科技温暖中国年”为主题,为公众献上一系列融知识性、趣味性和人文关怀于一体的科普惠民活动。
2025-02-12 09:53
2月6日晚,“共和国勋章”获得者、我国第一代核潜艇工程总设计师黄旭华院士因病在武汉逝世,享年99岁。
2025-02-11 14:55
气动外形优化是航空设计中的核心技术,可以提升燃油效率、降低阻力,提高飞行器性能。该几何引擎无需庞大的数据集或繁琐的超参数调整,大幅降低了开展气动优化的复杂度和成本。
2025-02-11 09:43
最近,原子能院自主研发的两步法650毫米直径冷坩埚玻璃固化工程样机,完成90天连续运行试验,收获约52吨玻璃固化体,高放射性废物(以下简称“高放废物”)可被“封印”其中。
2025-02-11 09:43
记者从工业和信息化部获悉:截至目前,全国已建成3万余家基础级智能工厂、1200余家先进级智能工厂、230余家卓越级智能工厂,智能工厂梯度培育行动取得初步成效。
2025-02-11 09:32
提高产业链供应链韧性对于经济安全平稳运行至关重要。智能制造能够优化供需匹配过程、提高供需契合程度、赋能供需深度协同,通过影响企业的协调成本和生产成本产生“扩链”效应和“稳链”效应,推动供给来源多元化、供需关系稳固化,有助于缓解外部不确定性对供应链的冲击,进而提高产业链供应链的抗风险能力。
2025-02-11 09:31
市场监管总局日前发布的数据显示,截至2024年12月底,全国共有45.17万家智能机器人产业企业,注册资本共计64445.57亿元,企业数量较2020年底增长206.73%,较2023年底增长19.39%,呈稳健上扬态势。
2025-02-11 09:30
基于对生成型人工智能与史学研究关系的充分实践和思考,笔者认为,这项革命性的技术既非“潘多拉的盒子”,也不是万能宝箱。人工智能在史学研究中的应用存在不可避免的局限性,需要靠学者克服并化剑为犁。
2025-02-10 09:52
图为2月8日,影迷在成都天府长岛数字文创园哪吒形象雕塑前合影。当哪吒脚踏粒子幻化的风火轮掠过水墨渲染的蜀中山水,观众看到的不仅是一部电影的进化史,更是一个文明古国以科技赋能传统文化展现出的魅力。
2025-02-10 10:16
同新能源汽车一样,未来低空经济主力场景——电动垂直起降航空器(eVTOL)与无人机等的规模化推广应用,离不开高性能动力电池。燕绍九表示,下一步,研究中心将持续推动石墨烯锂电池材料的开发和工程化应用,为低空经济蓬勃发展贡献力量。
2025-02-10 10:13
近日,深度求索(DeepSeek)旗下DeepSeek-R1、V3、Coder等全系列大模型正式接入国家超算互联网平台。为促进超算算力一体化运营、打造国家算力底座,国家超算互联网平台去年4月正式上线,覆盖科学计算、工业仿真、人工智能(AI)模型训练等各个领域。
2025-02-10 10:11
当前AI(人工智能)正在逐渐改变世界,成为政府决策、医疗干预、金融交易、司法审议、环境保护、科学研究等领域的重要“参与者”。
2025-02-10 09:28
张学勇介绍,科研人员挑选了17个具有代表性的小麦品种,对它们染色体水平的基因组进行从头“组装”,最终得到了高质量的基因组数据。中国工程院院士刘旭认为,这项研究成果将推动我国小麦种质资源研究迈入大数据时代,加快重要基因的挖掘与利用。
2025-02-10 10:04
很多人说睡前吃宵夜不好,最常说的理由就是会长胖。其实,长胖跟吃夜宵本身并没有很大关系。
2025-02-08 10:16
冬日暖阳下,搭乘摇橹船泛舟浙江杭州西溪国家湿地公园,水道如巷,河汊如网,如入画境。
2025-02-08 10:14
加载更多