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第13章 探秘星系(2)

据英国《卫报》报道,由美国和德国科学家组成的研究小组称,银河系的质量比先前预计的要大50%,旋转速度也要更快,这意味着银河系对其他星系的引力也更大,因而银河系与包括仙女星系在内的其他星系相撞时间可能比科学家所预计的更早。数十亿年后才会相撞研究人员表示,银河系一旦与其他星系相遇,碰撞时所产生的超大冲击波将会压缩星系内部的星际气体云团。但幸运的是,这一巨大的灾难只会发生于遥远的未来。德国马普研究院天文学家卡尔·门特恩解释说,碰撞将可能发生于数十亿年之后,虽然两者碰撞的时间比科学家所预测的要早得多,但对于人类来说这一时间仍然是属于遥不可及的未来,不会引起人类的恐慌。

卡尔和他所领导的国际研究团队利用“甚长基线电波干涉阵列”射电望远镜对银河系进行了精确的测量。银河系在旋转的过程中,某些放射无线电波的部分会向地球方向移动。正是基于此现象,科学家们才可以计算出银河系旋转的速度。

科学家们记录了来自银河系4个旋臂所发射出来的无线电波,并根据这些无线电波进行测量。经过测量发现,太阳系会随着银河系以大约100万千米/小时的速度旋转,比预期中的要快近17万千米/小时。卡尔认为,“测量结果要求我们必须要重新认识和理解银河系的结构和运行规律。”太阳系距离银河系中心大约为2.8万光年。仙女座星系大约是太阳质量的2700亿倍,距离我们太阳系有200多万光年。银河系的这种高速旋转意味着它的质量应该与仙女座星系相当,比以前的预测要重1/3左右。卡尔研究团队成员、美国哈佛大学史密森天文物理学中心科学家马克·里德认为,“从此,我们不再认为银河系只是仙女座星系的小妹妹”。

天文学家们认为,这次碰撞将会在未来的70亿年之内出现。太阳耗尽最后一丝能量之日,差不多也就是两个星系的碰撞之时。在发生碰撞时,恒星和行星应该不会发生碰撞。相反,星系碰撞后会相互融合,形成一个新的更大的星系。英国剑桥大学天文研究所格里·吉莫尔介绍说,“两者会戏剧性搅和、黏合在一起,最后所有恒星都将死亡,新星系变成一个巨大的死亡星系。目前尚不清楚两者是否会正面相撞。”如果是侧向碰撞的话,还将可能会引起进一步的碰撞。整个碰撞过程可能会持续数百万年时间。根据吉莫尔的说法,这项研究不仅仅提前了银河系死亡的时间,而且还对暗物质研究提供了新的依据。研究发现,银河系中心的暗物质比天文学家们早期的预测要冷得多、密得多。

研究人员们还表示,一旦确定了银河系旋转速度,那么最终控制这一速度的复杂公式便可确定银河系中所有暗物质的质量。暗物质是我们肉眼所看不到的,但却是迄今为止宇宙中数量最多的物质。所以,这意味着银河系的质量是天文学家以前估计的1.5倍。美国加州大学洛杉矶分校天体物理学家马克·莫里斯说,最新发现意义重大,但并不是有关银河系大小的最终结论。莫里斯没有参加雷德的这项研究。体积更大还意味着银河系和仙女座之间的引力更加强烈。据雷德介绍,天文学家长期预测的银河系和仙女座星系之间的碰撞可能发生得更早,同时侧面碰撞的可能性更小,然而不用担心,毕竟银河系与仙女座相撞至少是几十亿之后的事了。

如果银河系果真和其他星系发生碰撞,那时候人类可能会仍然存在,他们将看到一个未来完全不同的天空景象。狭长的银河系将会消失,取而代之的是一个由数十亿颗星球组成的巨大隆起。天文学家们目前绘制了一幅更为详细的银河系三维立体图,发现它的宽度比天文学家以前认为的多15%。更为重要的是,银河系的密度更大,质量比天文学家以前认为的多50%。天文学家在加州长滩市举行的美国天文学会大会上公布了这一最新发现。

探秘昴宿星团

昴宿星团,简称昴星团,又称七姊妹星团,梅西尔星云星团表编号M45,是一个大而明亮的疏散星团,位于金牛座,裸眼就可以轻易地看见,肉眼通常见到有六颗亮星。昴星团的视直径约2毅,形成斗状。成员星数在200个以上,是一个很年轻的星团。昴星团也是一个移动星团。

昴宿星团的云气是最接近地球的星云之一,并且可能是最著名的。它有时被称为玛琟女神的星云,这种错误或许是因为反射星光的云气本质上是环绕在玛琟的四周所造成的。

这群以蓝色高温恒星为主的星团是在最近的1亿年形成的,由微量的灰尘形成的反射星云围绕在最亮星的附近,起初被认为是星团形成时留下的,但是现在知道只是目前正在经过,与星团无关的尘埃云。天文学家估计这个星团大约可以再存在2亿5千万年,之后就会被银河系的引力扯碎,散布在邻近的星空之中。

昴宿星团在北半球的冬季和南半球的夏季是很突出的天体,从上古时代的所有古文明国,包括澳洲的土著、毛利人、中国和玛雅人(称之为Tzab—ek)、阿兹台克人、北美洲的苏族。一些古希腊的天文学家认为它是个明确的星座,并且在赫西德、荷马的《伊利亚特》和《奥德赛》(冒险之旅)之中被提到;在圣经中也曾被提及三次。在印度神话中,昴宿星团(Krittika)是战神(Skan鄄da)的六个母亲,他有六种不同的相貌,可以逐一的显现出来;有些回教的学者认为昴宿星团(At—thuraiya)是古兰经中的Najm。

长久以来,他们就被知道是一个彼此相关的星群,而非正巧在同方向上。在1767年,牧师约翰·米契尔就已经计算过如此多的亮星出现在同方向上的概率只有50万分之一,并且因而认定昴宿星团和许多其他的星团都是彼此间在物理上有关联的。首度研究恒星的自行时,它们被发现都以相同的速率、向着相同的方向移动,横越过天空,这进一步的显示他们是有关联的。梅西尔测量包括M45在内的一些星团的位置,编制成类似彗星的天体目录,在1771年发行。因为多数的梅西尔天体都是昏暗、类似彗星而易被混淆的天体,似乎没有理由列入昴宿星团,所以梅西尔可能因为觉得奇特而收录了昴宿星团,一起的还有猎户座星云、蜂巢星团。还有一个可能就是梅西尔只是单纯的希望他的目录能比对手拉卡伊的更为庞大——在1755年发行,收录了42个天体,所以梅西尔加入了几个明亮的、众所周知的天体在它的目录中。

在被称为宇宙距离的阶梯上,昴宿星团的距离是很重要的第一步,依序完成整个宇宙的一系列距离标尺。第一步的大小是校准整个阶梯的基础,因此使用了许多方法来测量第一步的标尺。由于昴宿星团是如此的靠近地球,相对的,它的距离也很容易测量。正确的距离知识,允许天文学家使用赫—罗图来测量星团的距离,与距离已知的星团比较图形,就可以估计待测量星团的距离。其他的方法可以延伸测量的距离从疏散星团、星系乃至于星系团,宇宙距离的阶梯就被建构起来了。对昴宿星团距离的认知,最终可以影响到天文学家对宇宙年龄的理解和未来的演变。

在依巴谷卫星发射之前,一般认知的昴宿星团与地球的距离是135秒差距。

依巴谷卫星利用星团中恒星视差——一种直接和准确的技术,测量的结果是118秒差距,使天文学家大为惊讶。后续的工作发现依巴谷卫星对昴宿星团距离的测量是错误的,但是并不知道发生错误的原因。目前认为昴宿星团距离的上限值大约是135秒差距(相当于440光年)这个星团的半径大约是8光年,而潮汐半径达到43光年。虽然未能排除联星,但统计星团中被证实的成员已经超过1000颗。它们主要是年轻、高温的蓝色星,依据观测环境的不同,裸眼最多能看见14颗亮星。最明亮的恒星排列有些类似于大熊座和小熊座,星团的总质量估计大约是太阳质量的800倍。

星团内有许多棕矮星——质量低于太阳的8%,在核心没有足够的温度和压力引发和融合成为真正的恒星。它们的数量大约占星团成员的25%,但质量却低于总质量的2%。天文学家已经尽了最大的努力在昴宿星团和其他年轻的星团中寻找和分析棕矮星,因为棕矮星在年轻的星团中还算明亮和容易观测,而在较老的星团中都已经黯淡而更难以研究。

目前在星团中也发现了一些白矮星,但星群中正常的年轻恒星还没有达到可以期望演化成白矮星的年龄,因为这个过程通常需要几十亿年的时间。一般相信,这不是由单一的低或中质量恒星演化过来的,这些白矮星的前身一定是联星系统中的大质量恒星。大质量恒星在快速的演化中将质量传输给伴星,结果使演化成为白矮星的脚步加快,但是这个过程的细节还需要对深奥的重力有更多了解,才能更确实地解释作用的机制是经由星团和恒星演化理论模型的比较得出的,从赫—罗图可以估计出星团的年龄。使用这种技术,估计昴宿星团的年龄为7500万至1亿5000万年。在估计年龄上的扩散度是恒星演化模型不确定的结果,特别是模型中包含了所谓的对流过冲(对流超射)现象。这是恒星内部的对流层是否击穿非对流层的现象,结果可能使年龄显得较高。

另一种估计星团年龄的方法是搜寻低质量的恒星。一般主序带上的恒星,锂在核融合反应中会很快地被摧毁,因为它的燃烧点只有250万K,而质量最大的棕矮星最后会将锂摧毁。因此测量星团内质量最高的棕矮星是否有锂的存在,可以估计出星团理想的年龄。使用这种方法估计的昴宿星团年龄是1亿1500万岁。

星团的相对运动最终将推导出它们的可能的位置,从地球观察未来数千年昴缩星团的位置,它将会经过目前猎户座的脚下。同样的,像多数的疏散星团一样,昴宿星团的没有足够的引力维系整个集团,当它与其他的集团接近或遭遇时,有些成员可能会被潮汐的重力场抛射出去。计算的结果认为在2亿5000万年后,昴宿星团将会因为与巨分子云的重力交互作用而消失,而且银河系的螺旋臂也会加速它的崩溃。

在理想的观测条件下,有些迹象显示云气只是在星团的附近,特别是在长期曝光的照片中。这只是一个反射星云,因为尘埃反射高温、年轻恒星的光而呈现蓝色。

这些尘土以前被认为是形成星团时残留的,但是星团通常需要大约1亿年才能形成,因此当初的尘土早就该被辐射压驱散了。换言之,很单纯的只是星团行经一处星际物质较为多的区域造成的现象。

研究显示,这些尘土的分布是不均匀的,并且在视线方向上是沿着星团行经的路径分为主要的两层。这些层次也许是因为尘土向着恒星移动时,受到辐射压力而减速造成的。

碰撞造成的车轮星系

哈勃太空望远镜拍摄的图片中,显示出一个非常壮观景象,5亿光年远处的玉夫座里两个星系发生了正面相撞,形成这个车轮般的星系结构。这个环状结构是一个小星系侵入一个类似我们银河系的普通螺旋星系造成的,它直接击中,并贯穿了主星系的核心,就如一颗石头投入湖中,充满能量的冲击波迅速传入空间,产生的气体和尘埃以极高的速度扩散,这场宇宙海啸引发了较脆弱的恒星的爆发,同时促使炽热浓密的星云物质形成新的恒星,使这个巨大的环犹如一圈爆竹。

星系团是什么

相互间有力学联系的、由星系、气体和大量的暗物质在引力的作用下聚集而形成的庞大的天体系统称为星系团(clusterofgalaxies)或星系群。

星系团包含的星系数相差很大,少的只有十几个星系,多的可达数千。通常把成员星系数较少(十几个到几十个)的星系团称为星系群。星系团的线直径相差不大,平均约为500万秒差距。其中的每一个星系称为星系团的成员星系。有时候把成员数目较少(不超过100个)的星系团称为星系群。

目前已发现上万个星系团,距离远达70亿光年之外。至少有85%的星系是各种星系群或星系团的成员。小的星系团如本星系群由银河系以及包括仙女星系在内的40个左右大小不等的星系组成。大的星系团如后发星系团有上千个比较明亮的成员星系,如果把一些暗星系也包括进去,总数可能上万。但像这一类范围大、星系众多的星系团是不多的。平均而言,每个星系团团内的成员数约为130个。有时又称成员数较多的星系团为富星系团,但贫、富的划分标准也是相对的。尽管不同星系团内成员星系的数目相差悬殊,但星系团的线直径最多相差一个数量级;平均直径约为500万秒差距。

1.星系团运动特征星系团的运动特征可以从两个方面,即从整个团的视向运动和团内各成员星系间的随机性相对运动来认识。

星系团作为整体的视向速度同星系团的距离满足哈勃定律,即距离越远视向速度越大。例如较近的室女星系团我们约19百万秒差距,视向速度为1180千米/秒;而长蛇域星系团离我们约有1000百万秒差距,视向速度则高60000千米/秒。

一个星系团内不同成员星系间的相对运动情况可用速度弥散度来表示。一般说来,随着星系团的范围的扩大和成员数的增加,速度弥散度也就越来越大。

小星系团的速度弥散度为250~500千米/秒;大星系团的速度弥散度高达2000千米/秒。星系团速度散度的研究具有重要的意义。一方面我们可以根据速度弥散度,利用维里定理来估算团内每个星系的平均质量;另一方面,对星系团内部运动的研究又与探索星系团的稳定性问题密切相关。

2.目前对这一问题有两种相反的看法一种认为整个星系团的能量是负的,因而星系是一种稳定的天体系统;另一种看法认为,星系团内星系成员的速度弥散度很大,整个系统的能量是正的,因此它们是不稳定的,整个团正处在膨胀、瓦解之中。

室女座星系团

室女座星系团(VirgoCluster)是一个距离在(59依4)百万光年[(18.0依1.2)百万秒差距],位置在室女座方向上的星系集团,拥有约1300(也可能高达2000)个星系,组成更巨大的本超星系团的心脏部分,而我们银河系所在的本地群只是这个集团的外围成员。估计这个集团的中心8毅半径(约220万秒差距)范围内的质量大约是1.2伊1015M。

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