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作者: wwLY


时间: 2018-05-15 18:50:56


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00后小萝莉粉粉小木耳丢失的星系李然,研究天文学的狐狸在 1933 年之前,科学家们也许已经意识到深空中璀璨的群星并不是宇宙的全部,但他们显然并没有料到发光的物质的质量在宇宙中微不足道。这一年,加州理工学院的瑞士天文学家茨威基(Zwicky) 研究了 Coma 星系团中星系的速度,发现了令人惊奇的事情。观测显示,如果认为星系团的质量就是所有恒星质量之和,那么 Coma 星系团中星系的速度远远超过了星系团的逃逸速度。也就是说,理论上这些星系早就应该挣脱了星系团的引力束缚,飞散开来。茨维基向来以深刻的洞察力和大胆提出新观点著名。他立刻猜想这些星系团中显然应该充满了看不见的物质。并且,为了能够解释观测到的星系速度,这些暗物质的质量至少超过可见物质一个量级。进一步的,茨维基推论,拥有如此大的质量,星系团的引力场将弯曲远处星系发出的光,产生强烈的引力透镜效应。在星系团的中心处,人们应该可以观测到远处的背景星系在引力透镜效应下生成的多个像。

58爱色 图一.Hubble 望远镜观测到的星系(编号 Abell1689)璀璨的星系只占星系团质量的一小部分。图片中可以看见由于引力透镜效应产生的长弧状结构。

福利导航 也许是太过经常提出惊人的想法,茨维基的观点并未很快被人接受。但在随后的 40 年里,更多的观测证实了他的想法。如果没有暗物质,人们就不能解释为什么银河系可以束缚住围绕它旋转的卫星星系,也无法解释在距离银河系中心很远处的气体云为什么能保持很高的轨道速度。而引力透镜效应的观测可以直接探查宇宙中暗物质的分布,这更是直接告诉人们,暗物质在宇宙中无处不在。

在今天的标准宇宙学模型里,暗物质是宇宙中最主要的物质组分,占据了宇宙物质质量的 80%以上(不包含暗能量)。这些暗物质并不是像没有被恒星照亮的气体或者尘埃那样的由质子,中子,电子构成的普通物质。宇宙微波背景辐射和宇宙元素核合成理论限制了,这些暗物质一定是标准粒子模型之外的物质。这样的暗物质不能发成电磁相互作用,因此也就不能发出电磁波。同时今天的标准宇宙学模型要求暗物质是“冷”的。 这说的是暗物质粒子在宇宙早期的速度非常低。 在这种情况下,宇宙第一批形成的暗物质团块—暗晕,质量都很小。这些小暗晕通过相互合并进一步长大。冷暗物质宇宙学从八十年代开始获得了巨大的成功,从微博背景辐射到星系的旋转曲线再到大尺度纤维结构的数值模拟预言。在几乎所有的宇宙学观测领域,冷暗物质标准宇宙模型都给出了恰当的理论预言。宇宙学家们高兴的宣布,因为观测数据的丰富和模型的成功,宇宙学进入了精确学科时代。可是好景不长,没过几年,科学家们发现冷暗物质宇宙学似乎预言了太多的小结构,而观测中却看不到相应数目的星系。这就是所谓的“卫星星系丢失问题”。

为了理解这个问题,现在让我们来仔细思考一下宇宙中的结构形成。正如我们前面提到的,在冷暗物质的宇宙中,第一批形成的暗物质晕都是小质量的。在宇宙历史上,暗晕的合并非常频繁。当一个小暗晕被一个大暗晕捕获后,它会一边绕转,一边沉入大暗晕中心。在这个过程中,小暗晕会持续的丢失质量,直到完全被瓦解。但是小暗晕的核心区域比较密集,抵抗潮汐瓦解的能力较强,因此一部分小暗晕的核心部分能够存活很长时间。再加上小暗晕会持续的落入大暗晕中,因此今天的暗晕中应该大量的存在小的暗物质团块——子暗晕。记住这一点,让我们再来看一下星系的形成。在宇宙早期,重子物质一直在和光子不停碰撞,没有办法聚集成团。等到宇宙冷却,光子退耦以后,重子物质终于可以聚集塌缩了。这时候暗物质早已经聚集形成了引力势阱,重子物质别无选择,只能在暗物质的势阱中塌缩。和暗物质不同,重子物质可以通过辐射的方式降低自己的内能,从而变的越来越聚集。当密度超过临界,核反应被点燃,大量的恒星随之形成,星系也从此诞生。在随后的演化中,星系伴随着暗晕成长而成长。当两个大小差不多的暗晕合并时,寄宿于暗晕中的星系也会在很短的时间里迅速合并。当两个差异很大的暗晕合并时,小的暗晕成为大暗晕的子暗晕,而小暗晕中的星系就成为了随子暗晕一同在主暗晕中绕转的卫星星系。一般认为,只要子暗晕大于一定的质量,其中就会存在着卫星星系。在计算机数值模拟中,天体物理学家可以细致的追踪暗物质晕的形成和星系的演化。数值模拟显示,今天的暗晕中确实存在大量的子暗晕。

图二. 暗晕示意图。在大暗晕中存在很多星系,这就是我们在观测中看到得星系团或星系群。这些星系中最大的那个往往在暗晕的中心,被称作中心星系,而其他的被称作卫星星系。卫星星系一般存在于子暗晕中。

 
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