“胡說八道！誇誇其談！一派胡言！” 當我站在演講廳的前面時，德國波恩大學的天體物理學家帕維爾·克魯帕脫口而出。 那時我還是一個研究生，正在申請博士後研究職位。 我來到波恩是為了就我對環繞銀河系的小衛星星系的研究做一個 45 分鐘的演講。 我曾幫助開發了一個理論，解釋了為什麼這些神秘的天體位於看似橫跨天空的一條直線上——這是一種出乎意料且極其令人費解的排列。 看來克魯帕並沒有被我的論點說服。
像銀河系這樣的大多數星系都被數十個環繞它們執行的小衛星星系所包圍。 這些星系非常微弱——只有最亮和最近的星系才被發現圍繞著銀河系和我們的近鄰仙女座星系飛行。 但這些矮衛星星系並非隨意飛行。 相反，它們都位於一個薄平面上，呈側面朝上[參見對頁的方框]。
這種排列令人驚訝。 模擬星系如何演化的計算機模擬預測，天空中的每個方向都應該包含大致相同數量的衛星星系。 長期以來，這種球形排列被認為是暗物質的自然結果，暗物質是一種神秘物質，它僅透過引力與普通物質相互作用。 天文學家認為暗物質瀰漫宇宙，並在星系形成和宇宙膨脹中發揮著關鍵作用。
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然而，矮星系排列的謎題一直令人困擾，以至於一些天文學家，包括克魯帕，開始質疑暗物質是否真的存在。 “暗物質已經失敗了，” 他打斷我的演講說，“因為它預測衛星應該呈球形分佈在銀河系周圍，這顯然與我們觀察到的情況直接矛盾。”
我正在展示一種不同的觀點，試圖透過指出遠大於我們銀河系的宇宙暗物質結構來解釋銀河衛星的奇特排列。 儘管仍有一些像克魯帕這樣的懷疑論者不相信，但包括我自己的研究在內的最新研究表明，巨大的暗物質網如何解釋天空中衛星星系獨特排列。
缺失的物質
這場辯論中心的暗物質最初是在努力解釋星系的其他令人費解的特徵時被假設出來的。 在 20 世紀 30 年代，偉大的天文學家弗裡茨·茲威基想稱量后髮座星系團，這是一個由大約 1,000 個星系組成的龐大星系群。 他首先測量了后髮座中星系的運動速度。 令他驚訝的是，他發現了驚人的速度——每秒數千公里——速度快到足以撕裂星系團。 為什麼星系團沒有自我瓦解？ 茲威基得出結論，星系團一定充滿了額外的看不見的物質，這些物質透過其引力將星系聚集在一起。 這種缺失的物質隨後被命名為“暗物質”。
自從茲威基大約 80 年前首次提出這個想法以來，宇宙中幾乎每個被觀測到的星系都出現了暗物質的跡象。 在我們自己的銀河系中，天文學家從銀河系外圍恆星的運動中推斷出它的存在。 像后髮座星系團中的星系一樣，這些恆星的運動速度太快，無法被我們看到的所有物質束縛住。 銀河系的十幾個左右的矮星系似乎包含更大量的暗物質。
暗物質的普遍性鞏固了人們對其存在的信念。 事實上，大多數宇宙學家認為暗物質約佔所有物質的 80%，大約是普通原子的五倍。
這種大量的暗物質意味著它應該在宇宙的演化中發揮戲劇性的作用。 研究這種演化的一種方法是使用計算機模型。 從 20 世紀 70 年代開始，計算宇宙學領域的研究人員試圖使用計算機程式碼模擬宇宙的歷史。 該技術很簡單：在計算機中定義一個假想的盒子。 將假想的點粒子（代表暗物質團塊）放置在盒子內接近完美的晶格中。 計算盒子中每個粒子受到的來自其他每個粒子的引力，並根據它感受到的淨引力移動每個粒子。 對這個過程迭代 130 億年。
自 20 世紀 70 年代以來，策略變得越來越複雜，但這種基本技術至今仍在使用。 四十年前，這些程式碼只能處理幾百個粒子。 現在，最先進的計算機模擬可以成功地模擬接近可觀測宇宙大小的體積中的數十億個粒子。
宇宙的計算機模擬一直是研究單個星系的一種非常有效的方法，但它們也創造了一些值得注意的難題。 例如，計算機模型得出結論，銀河系周圍所謂的暈中的普遍存在的暗物質應該將氣體和塵埃拉入各個團塊中。 這些團塊應該在引力的作用下收縮，最終形成恆星和矮星系。 就銀河系而言，暗物質的普遍存在意味著我們應該期望看到數千個小星系。 然而，當我們仰望夜空時，我們只觀察到幾十個。 未能找到它們的問題最初在 20 世紀 90 年代被發現，此後被稱為丟失的衛星問題。
在隨後的幾年裡，天文學家設計了一些潛在的解決方案來解決這個難題。 首先，也許並非模擬中看到的所有衛星都直接對應於真正的衛星星系。 最小的暗物質團塊可能缺乏捕獲氣體和形成恆星的質量（和引力）。 在這種思路中，觀測到的衛星星系是黑暗冰山可見的一角：在我們的附近可能存在數百個，如果不是數千個，沒有恆星的黑暗衛星。 我們只是看不到它們。
其次，即使小的暗物質團塊確實產生恆星，這些恆星也可能太微弱而無法被我們的望遠鏡看到。 在這種情況下，隨著技術的進步和望遠鏡變得更加靈敏，天文學家將發現更多的衛星。 事實上，在過去的七年中，已知圍繞銀河系執行的衛星數量已經翻了一番。
此外，銀河系的盤狀結構可能會阻擋我們觀察某些衛星星系的視線。 這個盤狀結構本質上是一個密集的恆星平面，它非常明亮，以至於在肉眼看來就像一種連續的白色流體（因此得名“銀河”）。 找到隱藏在盤狀結構後面的衛星將極其困難，就像白天很難看到月亮一樣——來自盤狀結構的光線簡單地淹沒了來自衛星的微弱光線。
總而言之，這些論點在很大程度上解決了大多數天體物理學家的丟失衛星問題，並將暗物質的想法從其最嚴重的觀測挑戰之一中拯救出來。 然而，衛星星系的奇特排列仍然困擾著研究人員。
矮星系威脅的迴歸
在 20 世紀 70 年代末和 80 年代初的幾篇論文中，劍橋大學的天體物理學家唐納德·林登-貝爾指出，許多環繞銀河系執行的衛星星系似乎位於一個平面上。 這種奇怪的排列如何解釋？ 2005 年，克魯帕和他在波恩的研究小組讓世界相信這種排列不可能是隨機的。 他們假設暗物質衛星均勻分佈在銀河系周圍，正如計算機模擬預測的那樣，並且這些矮星系中只有百分之一足夠大，可以產生恆星和可見星系。 鑑於這些完全合理的假設，他們問道，我們期望在多大程度上找到像銀河系這樣的系統，其中發光的星系恰好都排列成一行？ 答案在宇宙學中引起了地震：機率小於百萬分之一。
克魯帕認為，如果暗物質引導了星系的形成，那麼矮衛星星系就永遠不會全部位於這個不可能的平面上。 在描述他的結果的論文中，克魯帕提出了他自己的解決方案。 他寫道，唯一的出路是，如果銀河系的衛星不是作為暗物質團塊的後果而形成的。 他說，暗物質不存在。
作為一個優秀的理論家，克魯帕提出了另一種選擇。 他認為衛星是銀河系碎片，是很久以前掠過銀河系的一個較老的母星系的殘餘物。 正如小行星在飛過地球大氣層時會破碎並留下碎片軌跡一樣，銀河系的衛星可能也起源於從較大的母星系剝離的物質。
例如，克魯帕說，當我們觀察宇宙時，我們可以看到許多碰撞的星系顯示出稱為潮汐臂的長條物質。 通常，潮汐臂包含從小股物質中凝結出來的小矮星系。 在合適的條件下，撕裂的性質確保了剝離的物質最終會形成一個薄平面，就像銀河系的衛星一樣。
克魯帕的解釋優雅、簡單——而且最重要的是，有爭議。 它很快遭到攻擊。 首先，銀河系衛星中的恆星移動速度太快，無法僅靠普通物質聚集在一起。 暗物質一定將它們聚集在一起，就像它將銀河系聚集在一起一樣。 （事實上，觀測表明，銀河系的矮衛星星系是宇宙中暗物質占主導地位的星系之一。）潮汐矮星系情景意味著這些星系缺乏暗物質，這留下了一個問題，即是什麼阻止了它們分崩離析。
其次，正如車禍摧毀汽車一樣，盤狀星系之間的碰撞也會摧毀星盤。 星系碰撞的最終結果幾乎總是一個不成形的恆星團。 銀河系具有清晰的結構和一個相當薄的星盤。 我們沒有觀察到任何跡象表明它在最近遭受過任何合併或碰撞。
暗網
解決矮星系異常排列的另一種方法需要將目光投向更遠的宇宙。 從 20 世紀 70 年代開始的計算機模擬不僅僅模擬單個星系的演化。 它們模擬了宇宙的巨大體積。 當我們在最大尺度上探索這些模擬時，我們看到星系不是隨機分佈的。 相反，它們傾向於聚集到一個定義明確的絲狀網路中，稱為宇宙網。 當我們用大規模天文調查仰望天空時，我們清楚地看到了預測的結構。
宇宙網由數百萬個星系的宏偉薄片組成，跨度達數億光年。 雪茄狀的細絲連線著這些薄片。 在細絲之間是巨大的空洞，那裡沒有星系存在。 像銀河系這樣的大星系傾向於將網路錨定在多個細絲相交的點上[參見對頁的方框]。
當我還是英國杜倫大學的研究生時，我一直在建立這些稠密區域的計算機模擬，當時我將最近結果的圖表帶到了我的研究顧問卡洛斯·弗蘭克的辦公室。 我一直在研究的模型追蹤了銀河系及其周圍環境過去 130 億年的宇宙歷史形成過程。 弗蘭克仔細研究了這些圖表片刻，搖了搖紙，驚呼道：“放下一切！你正在研究的衛星星系都位於克魯帕的不可能平面上！” 我們的模型沒有重現早期計算機模擬的預測——銀河系周圍衛星星系的均勻分佈的暈。 相反，計算機預測了衛星平面的形成，該平面非常接近天文學家觀察到的情況。 我們覺得我們的模擬開始破解矮衛星星系如何採用如此奇怪的配置之謎。
“你為什麼不及時追蹤衛星，看看它們來自哪裡？” 弗蘭克提議。 我們已經有了最終結果； 現在是時候檢查模擬的中間步驟了。
當我們反向檢查模擬時，我們看到矮衛星星系並非起源於緊鄰銀河系的區域。 它們傾向於在稍遠的地方，在宇宙網的細絲內部聚集在一起。 細絲是宇宙中密度高於宇宙空洞的區域； 因此，它們將吸引附近的塵埃和氣體，並將它們收集到新生星系中。
一旦這些矮星系形成，引力就會將它們拉向最近的質量最大的區域——在我們的例子中，就是銀河系。 因為銀河系位於細絲相交的節點上，所以矮星系在朝我們方向加速時，會穿過孕育它們的細絲。 換句話說，細絲充當暗物質的宇宙超高速公路。 當我們仰望天空，看到矮星系在一個平面上以相同的方向移動時，我們本質上是在觀看迎面而來的銀河交通。
一項新的測試
一些科學家，如克魯帕，仍然持懷疑態度。 計算機模型似乎以足夠的精度重現了銀河系周圍的觀測條件，但一般理論也應該能夠描述其他星系周圍的鄰域。
該理論面臨著一項新的考驗。 2013 年 1 月，天文學家繪製了附近仙女座星系周圍區域的地圖，發現了一個更薄的衛星薄片：一個跨度一百萬光年，厚度僅為 40,000 光年的巨大平面——與筆記型電腦的尺寸大致相同。 該薄片似乎也在以克魯帕的潮汐情景預測的方式旋轉。 然而，像我自己的計算機模擬尚未能夠重現我們在仙女座周圍看到的星系排列。
然而，克魯帕潮汐理論的嚴重問題仍然存在——它也與觀測結果相矛盾。 歷史表明，在這樣的僵局中，明確的解決方案只能透過更多的資料才能實現。 正如阿爾伯特·愛因斯坦曾經說過的那樣，“大自然並不認為讓人們容易發現她的規律是她的職責。”