眾所周知，我們的地球在宇宙中并不是靜止的。它以平均每秒 29.78 千米的速度環(huán)繞著(zhù)太陽(yáng)運轉。而太陽(yáng)系也以平均每秒 220 千米的速度在銀河系中飛馳。不過(guò)，我們卻從未對其有過(guò)絲毫感知。

　　在我們的宇宙中，當你觀(guān)測的尺度越大， 事情總是會(huì )越發(fā)令人驚奇。根據一個(gè)國際天文學(xué)家團隊最新的研究成果，宇宙中質(zhì)量最大的那些“超旋渦星系”自轉的速度是銀河系的兩倍。天文學(xué)家認為，導致如此高速旋轉的原因是包裹在這些星系周?chē)木薮蟮陌滴镔|(zhì)暈。

　　這一研究成果發(fā)表在了最近的《天文物理期刊通訊》上。該國際團隊的天文學(xué)家們來(lái)自加州理工學(xué)院，太空望遠鏡科學(xué)研究所(Space Telescope Science Institute, STSI)，開(kāi)普敦大學(xué)，新澤西大學(xué)，斯威本理工大學(xué)等。

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

　　超旋渦星系對天文學(xué)家來(lái)說(shuō)是一種較新的現象，天文學(xué)家只有從斯隆數字巡天(Sloan Digital Sky Survey， SDSS)和 NASA/IPAC 外銀河系數據庫所記載的數據中找到過(guò)它們的身影。到目前為止，天文學(xué)家總共只發(fā)現了 100 個(gè)左右的超旋渦星系，但從我們現有的觀(guān)測結果來(lái)看，這些天體有著(zhù)非常與眾不同的特性。

　　除了比銀河系大了許多之外，這些超旋渦星系還更亮，并且包含更多恒星。在所有已知的超旋渦星系中，最大的一個(gè)直徑足有 45 萬(wàn)光年(銀河系直徑只有 10 萬(wàn)光年)，質(zhì)量約是銀河系的 20 倍。據太空望遠鏡科學(xué)研究所的研究成果，它們除了以上特性外，還擁有更高的旋轉速度。

　　在本次研究中，天文學(xué)家主要使用了南非大望遠鏡(Southern African Large Telescope, SALT)所收集的 23 個(gè)已知超旋渦星系的旋轉曲線(xiàn)數據。此外，帕洛馬山天文臺的 5 米口徑海爾望遠鏡也提供了額外觀(guān)測數據，而 NASA 的廣域紅外線(xiàn)巡天探測衛星(Wide-field Ingrared Survey Explorer, WISE)更是提供了有關(guān)星系質(zhì)量和恒星生成速率等重要信息。

　　正如開(kāi)普敦大學(xué)的研究員 Tom Jarrett 評價(jià)道：

　　“這次的研究成果很好地展示了星系觀(guān)測在可見(jiàn)光波段和紅外線(xiàn)波段之間的相輔相成，斯隆數字巡天和南非大望遠鏡揭示了星體的運動(dòng)，而廣域紅外線(xiàn)巡天探測衛星在中紅外波段的觀(guān)測則確定了星系的其他一些特征，如質(zhì)量和整體結構等。”

NASA 的一些超旋渦星系的存檔圖片。Credit: SDSS

　　研究人員發(fā)現，這些超旋渦星系的旋轉速度遠高于銀河系，其中最快的旋轉速度達到每秒 570 千米，幾乎是銀河系的三倍快(由于暗物質(zhì)的存在，星系在除了非?？拷诵牡膮^域外，任一半徑上的旋轉線(xiàn)速度是相當的)。除此之外，研究人員發(fā)現這些超旋渦星系的旋轉速度遠超它們其中的恒星，氣體，塵埃等物質(zhì)的質(zhì)量能造成的旋轉速度，這與天文學(xué)家幾十年來(lái)的觀(guān)測結果是相一致的，暗示了這些超旋渦星系中大量暗物質(zhì)的存在。

　　銀河系的旋轉速度曲線(xiàn)。與恒星系等系統不同，在星系中，除了非?？拷诵牡膮^域外，任一半徑上的旋轉線(xiàn)速度是相當的。圖中橫坐標是到銀心的距離(單位：光年)，縱坐標是旋轉線(xiàn)速度(單位：千米/秒)。Credit: Addison Wesley/University of Arizona

　　“超旋渦星系在許多方面都是極端的。它們打破了在此之前的旋轉速度記錄。”太空望遠鏡科學(xué)研究所的 Patrick Ogle，本次研究的主要成員說(shuō)道，“研究成果似乎表明星系的自旋是由圍繞它的暗物質(zhì)暈的質(zhì)量決定的…這是我們第一次發(fā)現幾乎接近極限大小的旋渦星系。”

　　Ogle 和他的同事們最終判定這些超旋渦星系中有著(zhù)大于平均值的暗物質(zhì)暈。事實(shí)上，Ogle 和他的同事們估計這些超旋渦星系中最大的暗物質(zhì)暈有著(zhù)接近 40 萬(wàn)億倍太陽(yáng)質(zhì)量。天文學(xué)家通常會(huì )期望在一個(gè)星系群附近發(fā)現這么多暗物質(zhì)，而不是單單一個(gè)星系。

　　這次研究又一次對那些試圖修改重力模型以否定暗物質(zhì)存在的理論提出了反擊。在這些理論中，最有名的是修正牛頓動(dòng)力學(xué)(Modified Newtonian Dynamics, MOND)。這個(gè)理論提出，在宇宙里那些質(zhì)量最大的結構中(星系，星系團等)，重力效應會(huì )比我們現在所認為的強一些。

　　宇宙在第 30 億年左右時(shí)的暗物質(zhì)分布，由星系形成的數值模型給出。Credit: VIRGO Consortium/Alexandre Amblard/ESA

　　但是，修正牛頓動(dòng)力學(xué)并不能解釋我們觀(guān)測到的這些超旋渦星系極高的旋轉速度，這意味著(zhù)非牛頓動(dòng)力學(xué)是必需的。另外一個(gè)重要的觀(guān)測結果是，盡管有著(zhù)相當巨大的暗物質(zhì)暈，這些超旋渦星系所含有的恒星數量遠低于天文學(xué)家的預期。這可能暗示了過(guò)多的暗物質(zhì)存在可以抑制恒星形成。

　　研究團隊給出了兩種可能的解釋。其一，被吸進(jìn)星系的額外氣體由于星系的高速旋轉而升溫，導致冷卻并堆積成恒星的可能性降低。其二，高速旋轉本身對于氣體云的形成和堆積就是具有干擾性的。

　　盡管如此，我們觀(guān)測到的任何一個(gè)超旋渦星系還是有著(zhù)恒星形成的能力：每年可以形成總質(zhì)量約 30 倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星(這速率比銀河系高出 30 倍)。在將來(lái)，Ogle 和他的團隊希望可以對這些超旋渦星系做出更多觀(guān)測，以便學(xué)習其中氣體和恒星的運動(dòng)。

　　這些有關(guān)超旋渦星系的問(wèn)題很有可能可以由下一代天文觀(guān)測儀器做出解答，如詹姆斯韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST)和廣域紅外線(xiàn)太空望遠鏡(Wide-Field Infrared Space Telescope, WFIRST)等。一旦部署，這些望遠鏡可以觀(guān)測更多更遠的超旋渦星系，換句話(huà)說(shuō)，我們可以了解它們更早期的狀態(tài)。
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