高速旋转的旋涡星系

　　翻译：陆寅枫

　　原文链接：https://futurism.com/the-byte/japanese-probe-asteroid-bombing-pics

　　众所周知，我们的地球在宇宙中并不是静止的。它以平均每秒 29.78 千米的速度环绕着太阳运转。而太阳系也以平均每秒 220 千米的速度在银河系中飞驰。不过，我们却从未对其有过丝毫感知。

　　在我们的宇宙中，当你观测的尺度越大， 事情总是会越发令人惊奇。根据一个国际天文学家团队最新的研究成果，宇宙中质量最大的那些“超旋涡星系”自转的速度是银河系的两倍。天文学家认为，导致如此高速旋转的原因是包裹在这些星系周围的巨大的暗物质晕。

　　这一研究成果发表在了最近的《天文物理期刊通讯》上。该国际团队的天文学家们来自加州理工学院，太空望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute, STSI)，开普敦大学，新泽西大学，斯威本理工大学等。

一些超旋涡星系。Credit: NASA/ESA/P. Ogle/J. DePasquale (STSI)（上排）;SDSS/P. Ogle/J. DePasquale (STSI)（下排）

　　超旋涡星系对天文学家来说是一种较新的现象，天文学家只有从斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey， SDSS)和 NASA/IPAC 外银河系数据库所记载的数据中找到过它们的身影。到目前为止，天文学家总共只发现了 100 个左右的超旋涡星系，但从我们现有的观测结果来看，这些天体有着非常与众不同的特性。

　　除了比银河系大了许多之外，这些超旋涡星系还更亮，并且包含更多恒星。在所有已知的超旋涡星系中，最大的一个直径足有 45 万光年（银河系直径只有 10 万光年），质量约是银河系的 20 倍。据太空望远镜科学研究所的研究成果，它们除了以上特性外，还拥有更高的旋转速度。

　　在本次研究中，天文学家主要使用了南非大望远镜(Southern African Large Telescope, SALT)所收集的 23 个已知超旋涡星系的旋转曲线数据。此外，帕洛马山天文台的 5 米口径海尔望远镜也提供了额外观测数据，而 NASA 的广域红外线巡天探测卫星(Wide-field Ingrared Survey Explorer, WISE)更是提供了有关星系质量和恒星生成速率等重要信息。

　　正如开普敦大学的研究员 Tom Jarrett 评价道：

　　“这次的研究成果很好地展示了星系观测在可见光波段和红外线波段之间的相辅相成，斯隆数字巡天和南非大望远镜揭示了星体的运动，而广域红外线巡天探测卫星在中红外波段的观测则确定了星系的其他一些特征，如质量和整体结构等。”

NASA 的一些超旋涡星系的存档图片。Credit: SDSS

　　研究人员发现，这些超旋涡星系的旋转速度远高于银河系，其中最快的旋转速度达到每秒 570 千米，几乎是银河系的三倍快（由于暗物质的存在，星系在除了非常靠近核心的区域外，任一半径上的旋转线速度是相当的）。除此之外，研究人员发现这些超旋涡星系的旋转速度远超它们其中的恒星，气体，尘埃等物质的质量能造成的旋转速度，这与天文学家几十年来的观测结果是相一致的，暗示了这些超旋涡星系中大量暗物质的存在。

银河系的旋转速度曲线。与恒星系等系统不同，在星系中，除了非常靠近核心的区域外，任一半径上的旋转线速度是相当的。图中横坐标是到银心的距离（单位：光年），纵坐标是旋转线速度（单位：千米/秒）。Credit: Addison Wesley/University of Arizona

　　“超旋涡星系在许多方面都是极端的。它们打破了在此之前的旋转速度记录。”太空望远镜科学研究所的 Patrick Ogle，本次研究的主要成员说道，“研究成果似乎表明星系的自旋是由围绕它的暗物质晕的质量决定的…这是我们第一次发现几乎接近极限大小的旋涡星系。”

　　Ogle 和他的同事们最终判定这些超旋涡星系中有着大于平均值的暗物质晕。事实上，Ogle 和他的同事们估计这些超旋涡星系中最大的暗物质晕有着接近 40 万亿倍太阳质量。天文学家通常会期望在一个星系群附近发现这么多暗物质，而不是单单一个星系。

　　这次研究又一次对那些试图修改重力模型以否定暗物质存在的理论提出了反击。在这些理论中，最有名的是修正牛顿动力学(Modified Newtonian Dynamics, MOND)。这个理论提出，在宇宙里那些质量最大的结构中（星系，星系团等），重力效应会比我们现在所认为的强一些。

宇宙在第 30 亿年左右时的暗物质分布，由星系形成的数值模型给出。Credit: VIRGO Consortium/Alexandre Amblard/ESA

　　但是，修正牛顿动力学并不能解释我们观测到的这些超旋涡星系极高的旋转速度，这意味着非牛顿动力学是必需的。另外一个重要的观测结果是，尽管有着相当巨大的暗物质晕，这些超旋涡星系所含有的恒星数量远低于天文学家的预期。这可能暗示了过多的暗物质存在可以抑制恒星形成。

　　研究团队给出了两种可能的解释。其一，被吸进星系的额外气体由于星系的高速旋转而升温，导致冷却并堆积成恒星的可能性降低。其二，高速旋转本身对于气体云的形成和堆积就是具有干扰性的。

　　尽管如此，我们观测到的任何一个超旋涡星系还是有着恒星形成的能力：每年可以形成总质量约 30 倍太阳质量的恒星（这速率比银河系高出 30 倍）。在将来，Ogle 和他的团队希望可以对这些超旋涡星系做出更多观测，以便学习其中气体和恒星的运动。

　　这些有关超旋涡星系的问题很有可能可以由下一代天文观测仪器做出解答，如詹姆斯韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)和广域红外线太空望远镜(Wide-Field Infrared Space Telescope, WFIRST)等。一旦部署，这些望远镜可以观测更多更远的超旋涡星系，换句话说，我们可以了解它们更早期的状态。