銀河之伴，汝居何方？

譯者：fwjmath。他從前的譯作請見這裡，這裡，那裡。原文在這裡。譯者自述：一名背叛了分析的計算機學術宅男。在外求學中，學的算是數學，但是啥自然科學都有些興趣，剛升級到大三。個人博客是http://fwjmath.spaces.live.com。譯者附言：感謝論壇的Marmelader幫助翻譯「暗星系」小節的一部分，感謝pchu和gerry的寶貴意見~~~銀河系本應為眾多迷你星系所簇擁，事實卻並非如此。如Marcus Chown所言，這給我們對引力的理解出了道難題。

銀河系藝術想像圖如同撲火的飛蛾，數以千計小型的伴星系圍繞著我們的銀河系紛飛。這是天文學家所夢想的場景，與我們已建立的關於銀河系附近環境的模型契合無誤。不幸的是，這個夢與現實相去甚遠。據我們所知，只有25個凌亂的伴星系在銀河系外圍飄泊流浪。「我們看到的伴星系只有預計的百分之一。」德國波恩大學的Pavel Kroupa說：「這個情況要說明的東西再清晰不過了：我們對星系形成過程想像的圖景之中，有些東西大大地搞錯了。」伴星系的明顯短缺並不是令人震驚的唯一原因。今年早些時候，在德國Bad Honnef舉行的一場會議中，Kroupa和他的同事展示了對已知伴星系位置和運動的一項分析。他們指出，這些伴星系以出乎意料的方式圍繞著銀河系轉動，而綜合之後得到的結果與主流宇宙學的觀點相悖。Kroupa說，只有一種方式可以解釋這些結果，就是萬有引力比牛頓預想的要更強。對牛頓的萬有引力定律提出質疑，這向來是富有爭議性的。但無論真理在誰手中，關於銀河系伴星系的研究已經成為了暗物質理論和修正的引力理論之間對決的新戰場。我們從數十年的觀測中得到的關於宇宙的標準圖景是這樣的：看不見的冷暗物質的總質量是可見物質的6到7倍，而你、我、行星和恆星都是由可見物質組成的。沒人知道暗物質的組成，人們假定它存在是為了解釋：為何旋渦星系中的恆星能夠以極高的速度繞著星系核心公轉，而不會被甩入虛無的星際。在旋渦星系中的普通物質不足以提供足夠的引力，所以額外的引力應該是由數量巨大的暗物質所提供的，這樣才足以避免這些嚴重超速的恆星飛走。在早期宇宙的成型過程中，人們認為暗物質也扮演了關鍵的角色。在大爆炸後，暗物質率先在引力的作用下聚集成團。因為它們不與光相互作用，所以不會被大爆炸的火球「吹散」。稍後，普通的氣態物質掉進了這些被稱為暗物質暈的團塊中。在這裡，氣態物質聚集成恆星，形成可見的星系。這個暗物質版本的星系形成圖景有一個關鍵的特點：暗物質會形成大小各異的暈。根據宇宙學的標準模型，銀河系形成所需要的暗物質暈周圍應該會有數以千計的小暈，而這些小暈也會孵化出小的伴星系。那麼，為什麼我們看不見這些小的伴星系？也許僅僅因為絕大部分伴星系只包含數千恆星，太暗了從而難以辨認。（《新科學家》，八月十五日，第10頁）另一個問題就是，僅憑肉眼我們很難判斷天空中的一群星星到底是真的聚在一起，還是本來距離迥異但由於巧合處於同一方向上。證明星星的確聚在一起，需要藉助計算機進行搜索，還需要對恆星顏色的詳盡分析來給出它們的相對距離和類型。這是個既吃力又昂貴的活計。潮汐矮星系儘管如此，在近五年來，藉助於斯隆數字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS），我們發現伴星系的速度上了一個台階。在SDSS之前的30年，我們只發現了9個伴星系，但自從有了SDSS，我們又發現了15個，其中最大的直徑為1000光年，只是銀河系直徑的百分之一，而最小的直徑只有150光年。儘管有了這些進展，已知的伴星係數量還是遠遠少於冷暗物質模型的預測。「失蹤的伴星系」並不是唯一的謎團。Kroupa和同在波恩大學的同事Manuel Metz，還有來自奧地利維也納大學的Gerhard Hensler和澳大利亞堪培拉附近斯特姆洛山天文台的Helmut Jerjen，四人研究了為數甚少的已知伴星系的位置和運動。他們發現，大部分的伴星系都很靠近同一個與銀盤垂直的平面。另外，絕大多數伴星系都按照同一方向繞銀河系公轉。「這與銀河系形成的暗物質模型完全不相容，」Kroupa說。他指出，這些伴星系應該更像一群蜜蜂，軌道沒有規律，總體呈球形分布。如果暗物質模型不能解釋銀河系伴星系的起源，那麼，它們起源何處？據Kroupa所言，從麥哲倫星流中我們能找到啟示。在銀河系引力的作用下，大麥哲倫雲被拖出了一條長長的尾跡，這條由氣態物質和恆星組成的尾跡就是麥哲倫星流。（The Astrophysical Journal, vol 697, p 269）

麥哲倫星流藝術想像圖在100至120億年前，當銀河系剛剛誕生時，這類潮汐效應更為普遍，因為在當時快速膨脹的宇宙中，星系之間的距離比現在小得多。Kroupa和他的同事說，當時年輕的銀河系通過萬有引力，把過路星系的氣體拖了出來，形成了古老的「潮汐矮星系」，後來就變成了今天的伴星系。「如同麥哲倫星流，這樣形成的伴星系在平面上自然會排成一順，而運動方式也相似。」Kroupa說。這個解答看起來很簡潔。但「今天的伴星系就是以前的潮汐矮星系」這個想法引出了另一個問題。對伴星系內恆星速度的測量表明，這些恆星圍繞伴星系公轉的速度非常快——按照這個速度，它們本應早被甩到星系際空間中了。這正是天文學家在旋渦星系中發現的問題，他們引進了暗物質來解釋它。「麻煩在於，引進暗物質的修正不能用在由潮汐矮星系形成的伴星繫上。」Kroupa說。原因與星系相互作用或者碰撞時，普通物質和暗物質在行為上的差異有關。在一個名為子彈星系團的天體中，這種差異尤為明顯。子彈星系團是由兩個星系團碰撞而形成的。錢德拉X射線天文台拍攝到的圖片顯示，當兩個星系團碰撞時，這兩團巨大的氣體雲面對面撞在了一起，移動速度都變慢了。但質量分布圖卻暗示兩個星系團的暗物質不受影響地穿過了彼此，將對它們引力依依不捨的普通物質扔在了身後。

子彈星系團Kroupa估計，當潮汐矮星系形成時，暗物質和尋常物質也是以這樣相似的方式被分開的。難題就來了：伴星系中的恆星以瘋狂的速度公轉，這個事實「尖聲呼喚著暗物質」，Kroupa說，「但其它的證據都表明這些伴星系不可能含有暗物質。那麼，如何解釋在潮汐矮星系中恆星那非同尋常的高速度呢？Kroupa認為，唯一的答案就是修正引力。他最青睞的一種暗物質替代品被稱為修正的牛頓動力學（modified Newtonian dynamics，簡稱MOND）。這個理論是在上世紀八十年代初由Mordehai Milgrom提出的，現在他在以色列的魏茨曼研究院。MOND宣稱，當加速度低於某個關鍵值時，引力會比牛頓定律預言的要大。對於在旋渦星系外圍的恆星，因為它們的加速度比那些在中央的夥伴低，所以受到的引力會比牛頓預言的要稍強。通過一個簡單的公式，Milgrom可以解釋那些旋渦星系中已測量的恆星運動速度。MOND是暗物質的一個合乎邏輯的替代。然而，我們難以找到兩個理論的預言產生分歧的場景。現在，這種情況改變了。Milgrom認為在預言銀河系伴星系的數量、位置和速度上，我們顯然看到了暗物質模型的失敗。他說：「在這個再簡明不過的情況里，MOND贏了，暗物質輸了。」然而，在牛津大學的James Binney對此則不太贊同。與Milgrom形成鮮明對比，他宣稱伴星系之謎支持了暗物質圖景。「實際上，在這個再簡明不過的情況里，暗物質贏了。」暗星系MOND與暗物質各自的擁躉為何對相同觀測結果的解釋如此截然不同？Binney建議大家細看星系形成的暗物質圖景。在大爆炸的餘波中，時空中的量子漲落使宇宙中一些區域物質較多，而在另一些像空洞的地方，物質則少得多。這些空洞膨脹的速度比物質稠密的區域更高，因為物質稠密區域的膨脹會被其中物質相互的引力制約。當空洞膨脹並互相連接時，它們會吧暗物質和普通物質擠壓成條條片片。Binney說，「我們可以在星系的分布上看出這點。」宇宙就像一塊由星系構成的巨大的瑞士乳酪。

宇宙的大尺度結構（計算機模擬）他發現，物質被擠壓的過程在銀河系的尺度上也在發生：暗物質可能沿著一定的路徑湧入銀河系（New Scientist, 18 July, p 34）。所以Binney認為，我們看見伴星系大部分被禁錮在單個平面以相似的方式運動，這很正常。「暗物質圖景可以完美地解釋它們的性質。」他說。但如果伴星系的位置和運動與暗物質模型相符，為什麼我們僅看到了期望數量的1%？Binney不認為這有問題。他說，失蹤的星系只是因為太暗，我們沒有發現而已。或者「它們可能僅僅由暗物質組成」，沒有足夠的氣體來點亮恆星。Binney指出，由位於德國海德堡的馬克斯·普朗克天文研究所的Sergey Koposov的小組新近發表的一項研究表明，我們看到的伴星系僅僅是冰山一角。從已經觀測到的伴星系的性質來看，Koposov預測，應有數以千計尚未發現的超暗星系。（The Astrophysical Journal, vol 696, p 2179）但為何這些含有大量氣體和暗物質的伴星系竟然沒有多少恆星，箇中原因並不明朗。抑制恆星的形成牽涉到複雜的機制，而大家一致同意，我們對這些機制並不了解。「這就是暗物質模型的死穴，」Binney承認道：「但這只是說明，為了讓這個模型有血有肉，我們還有很多工作要做。」Milgrom和Kroupa並不信服。他們堅持認為，暗物質模型的致命漏洞正是在於它需要一個機制來阻止恆星的形成。但為了說服別的研究人員，他們需要付出極大的努力，因為大部分天文學家的研究早已與暗物質結緣，他們不會輕易將三十多年來的工作付諸一炬。Binney認為，事實上暗物質和MOND二者都有各自的缺陷。那這二者何時能決出高下呢？答案可能取決於一副銀河系外圍的引力地圖。通過詳細繪製所有可見伴星系和球狀星團的運動圖，我們應該可以從中推測出所有黯淡伴星系的存在，即使我們無法看見它們。假如結果如同暗物質模型預言的那樣，那裡有數以千計的超暗星系的話，那暗物質的支持者就賭贏了。反之，暗物質就只剩下垂死掙扎了。在沒有這樣的引力地圖的情況下，雙方的決鬥更像是在鬧著玩，而不是真刀真槍決一死戰。現在，銀河系的外圍仍然是兩種觀點碰撞的廣闊戰場。Marcus Chown是Quantum Theory Cannot Hurt You (Faber, 2008)的作者。譯者註：我來做做廣告~~~有一個名為MilkyWay@home的志願計算項目，目的就是通過對斯隆數字化巡天的信息進行大規模的搜索來進行銀河系伴星系的研究。更細緻地說，他們研究的是人馬座矮橢球星系被銀河系的潮汐力牽引出來的人馬座矮星系星流（請參見「潮汐矮星系」一節）。研究人員希望，通過對人馬座矮星系星流的仔細測量，可以獲得銀河系外圍的質量分布圖，也就是說最後一節提到的引力地圖。

MilkyWay@home模擬圖你也可以出一份力！這個項目的網站是http://milkyway.cs.rpi.edu/milkyway/，只需要下載一個叫BOINC的軟體，作一些簡單設定，你的計算機就會開始幫助研究人員繪製人馬座矮星系星流的具體位置了。如有疑問，歡迎到http://www.equn.com/forum/forum-11-1.html詢問。
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