我們的銀河系只是宇宙中無數星系中的一個——一個普通的螺旋星系,在充滿螺旋星系的宇宙中。我們空間角落的非特殊性,一個被稱為哥白尼原理的觀點,是現代宇宙學的基石。但這並不意味著銀河系在各個方面都必須完全平庸。
在圍繞銀河系盤旋的20多個衛星星系中,形成了一種銀河系的隨行人員,其中有兩個大型衛星星系,即大麥哲倫星雲和小麥哲倫星雲。早在望遠鏡時代之前,觀星者和航海家就已經知道它們的存在。然而,今天的天體物理學家們很難解釋它們是如何到達那裡的。星系形成和演化的計算機模擬往往無法產生類似於麥哲倫星雲那樣明亮的衛星星系。因此,研究人員不得不問:模擬是否是有缺陷的——也許是在它們解釋神秘暗物質的至關重要作用的方式上——還是銀河系只是有點古怪?
藉助新的超級計算機模擬以及一個名為斯隆數字巡天的宇宙測繪望遠鏡專案,這個問題現在似乎已經解決了。
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斯隆巡天說了什麼?古怪。
在對早期模型的最先進的肯定中,最新一輪的超級計算機模擬再次表明,一個銀河系大小的星系應該很少聚集到麥哲倫星雲大小的衛星。對數千個真實星系及其衛星的望遠鏡觀測證實了理論預測。
“實際上是銀河系有點獨特,”邁克爾·布沙說,他是一位目前在瑞士蘇黎世大學的天體物理學家。布沙是12月20日天體物理學雜誌上發表的一項研究的主要作者,該研究將一個新的計算機模擬(名為 Bolshoi)的結果與來自斯隆的實際星系觀測進行了比較。在模擬和觀測中,大多數類似銀河系的星系都沒有像麥哲倫星雲那樣龐大的伴星系。少數星系有一個這樣的衛星,而極少數星系——大約 5% 到 10%——與銀河系的兩個大型衛星星系的數量相匹配。
“這有點奇怪,但又不是真的奇怪,”布沙在談到我們的家園星系時說,將麥哲倫星雲比作人臉上超大的特徵。“我的一位同事稱它們為‘銀河系的大耳朵’,”他說。“你看上去像個正常人,你看起來並不奇怪,你只是碰巧有大耳朵。”
加州大學爾灣分校的宇宙學家詹姆斯·布洛克說,銀河系的外觀與理論上應該有的外觀之間的差異“多年來一直困擾著我們中的一些人”。“我不會說我為此失眠,但也許會輾轉反側。”布洛克和他的合著者最近使用了一個不同的模擬,名為 Millennium-II,以及一組不同的斯隆星系得出了類似的結論。“我們的星系顯然有點不尋常——與理論預測的不尋常程度差不多,”他說。“這是個好訊息。還有一些遺留的難題,但至少這個問題似乎得到了控制。”
可能無法控制的是銀河系伴星系在尺寸譜較小端,理論與觀測之間非常不同的差異。在被稱為“丟失衛星問題”中,星系模擬傾向於產生比天文學家實際在銀河系外圍看到的更多的小而昏暗的衛星星系。已經提出了許多可能的解釋——也許天文學家只是還沒有找到銀河系的所有衛星,或者也許小型星系不像假設的那樣容易發展。
銀河系異常眾多的大型衛星群是否與丟失衛星問題有關,還有待觀察。“我們想知道的是:我們擁有這兩個明亮的衛星這一事實,對於其餘的衛星群意味著什麼?對於丟失衛星問題意味著什麼?”布沙說。“我們真的不知道這個問題的答案。”
然而,布沙的同事們正在研究這個問題。斯坦福大學的路易斯·斯特里加里和麗莎·韋克斯勒已經開始調查銀河系在多大程度上與類似星系相提並論,當涉及到稍微小一些的衛星時。他們深入研究了斯隆資料,以確定類似銀河系的星系在其宿主伴星系中,比麥哲倫星雲暗淡但比次亮的銀河系衛星(人馬座和天爐座矮星系)明亮的情況有多常見。對這些中等大小的衛星的模擬預測,銀河系應該有比現在更多的伴星系。
“天真的預測是,應該有許多系統比天爐座亮,比[小麥哲倫星雲]暗淡,但我們沒有看到,”韋克斯勒說。“解決這個問題的一種方法是說銀河系在這方面也很罕見,並且大多數星系都有這些額外的衛星。”
但這種解釋經不起斯特里加里和韋克斯勒的初步分析。“在這裡,我們發現銀河系似乎與擁有典型數量的較暗衛星星系相符,”韋克斯勒說,儘管她指出誤差範圍仍然很大。“這可能是在告訴我們,不典型的是麥哲倫星雲,而不是整個銀河系系統。”
為什麼超級計算機模擬會產生比在包括我們自己在內的真實星系附近發現的更多中等大小的衛星,仍然是一個懸而未決的問題。但研究人員至少可以睡得更安穩一些,因為他們知道銀河系確實相當普通,儘管有大耳朵。