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宇宙的親吻:銀河系曾與仙女座星系碰撞過(guò)?
時(shí)間:2018-03-27 07:58   來(lái)源:《大科技》雜志   責(zé)任編輯:沫朵
  原標(biāo)題:宇宙的親吻:銀河系曾與仙女座星系碰撞過(guò)? 

  銀河系最終的命運(yùn)早已確定。現(xiàn)離我們約有250萬(wàn)光年的仙女座星系正以每秒300多千米的速度向銀河系駛來(lái)。大約再過(guò)40億年,兩個(gè)星系會(huì)發(fā)生碰撞。那時(shí),星系內(nèi)許多恒星、行星和星云會(huì)被甩離原星系,而一些星云的碰撞也會(huì)催生出一批新的恒星。幸存下來(lái)的恒星、行星和星云將會(huì)組成一個(gè)更大的橢圓星系。

  上面描述的是銀河系災(zāi)難性的未來(lái)。但你想不到的是,銀河系似乎在過(guò)去就曾與仙女座星系發(fā)生過(guò)一次碰撞。這是怎么回事呢?

  奇怪的矮星系分布

  這個(gè)問(wèn)題首先是從一個(gè)小問(wèn)題開始的:圍繞銀河系的那些很小的星系,即矮星系,有著奇怪的空間分布。

  事實(shí)上,早在20世紀(jì)70年代,就有天文學(xué)家指出,圍繞銀河系的矮星系并不是隨機(jī)分布的,看起來(lái)好像是某些東西把它們拉到特定的位置上,可能是一個(gè)更大的星系解體留下的碎屑流。但矮星系分布問(wèn)題逐漸被人們冷落,因?yàn)樵诋?dāng)時(shí),大家一窩蜂地都去研究暗物質(zhì)了。

  現(xiàn)在,天文學(xué)家認(rèn)為,在早期宇宙中,初始的暗物質(zhì)分布存在著微小的不均勻性,在自身的引力作用下,暗物質(zhì)在初始密度高的地方聚集,最終發(fā)生坍縮,并把周圍普通物質(zhì)也卷入進(jìn)去,最終形成了旋轉(zhuǎn)的盤狀物質(zhì)——星系。

  根據(jù)上面的理論做出的計(jì)算機(jī)模擬,與天文學(xué)觀測(cè)的結(jié)果很符合。所以我們相信,大多數(shù)的星系都“鑲嵌”在一團(tuán)暗物質(zhì)暈當(dāng)中。

  但這些模擬暴露出一個(gè)問(wèn)題:按理說(shuō),當(dāng)暗物質(zhì)坍縮為一團(tuán)暗物質(zhì)暈時(shí),在周圍會(huì)留有一些小的暗物質(zhì)碎塊,這些碎塊會(huì)捕獲普通物質(zhì),最終在母星系周圍形成矮星系,這些矮星系應(yīng)該是隨機(jī)形成的。但令人尷尬的是,最近所做的觀測(cè)顯示,銀河系周圍的矮星系并不是隨機(jī)分布的:這些矮星系構(gòu)成了一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu),而且這個(gè)環(huán)所在的平面與銀河系的盤面夾角大致為直角。

  許多天文學(xué)家對(duì)上面的小尷尬不以為然。也許,只是因?yàn)槲覀冞沒看到所有的矮星系而已。但是,來(lái)自德國(guó)的天文學(xué)家還研究了銀河系周圍其他天體,包括球狀星團(tuán)(比矮星系小的球形恒星集合)和恒星流(由眾多恒星組成的鏈狀結(jié)構(gòu),被認(rèn)為是矮星系分裂后形成的)。他們發(fā)現(xiàn)這些天體的分布也與矮星系的類似。

  意想不到的碰撞

  為了解釋這一切,一些天文學(xué)家們提出了一個(gè)驚世駭俗的觀點(diǎn)——這可能是星系間的碰撞產(chǎn)生的碎片。于是,他們進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬,結(jié)果表明銀河系的矮星系的確有可能是因星系碰撞產(chǎn)生的。

  不過(guò),是誰(shuí)曾在過(guò)去與銀河系交手過(guò)?

  天文學(xué)家們始終沒有找到合適的候選者,直到2013年,來(lái)自法國(guó)斯特拉斯堡天文臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果顯示,仙女座星系周圍的矮星系也有著類似的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。仙女座星系盤上方的矮星系在遠(yuǎn)離我們,而下方的矮星系在靠近我們,表明這些矮星系是處在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的環(huán)形結(jié)構(gòu)中。另外,這個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)所處的平面與銀河系的大致都在一個(gè)平面上。這一切似乎都在說(shuō),這兩個(gè)星系曾發(fā)生過(guò)碰撞。

  這怎么可能呢?即使把假定的暗物質(zhì)都考慮進(jìn)去,仙女座星系與銀河系也沒有足夠的質(zhì)量,或者說(shuō)足夠的引力,在過(guò)去及時(shí)拉到一起來(lái)發(fā)生一次碰撞。

  所以,這是一個(gè)僵局,除非引力本身存在著問(wèn)題。

  修改引力

  牛頓和愛因斯坦的理論都假定,引力的強(qiáng)度與兩個(gè)物體之間距離的平方成反比。經(jīng)過(guò)300多年的探索,我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)理論在太陽(yáng)系內(nèi)的確是成立的。但在太陽(yáng)系外呢?我們從來(lái)沒有在更大的尺度下進(jìn)行過(guò)測(cè)試。

  其實(shí),引力在各個(gè)地方的表現(xiàn)并不是一樣的,這種觀點(diǎn)早在上個(gè)世紀(jì)80年代就提出過(guò),為的是替代暗物質(zhì)模型。這種理論叫做修正牛頓動(dòng)力學(xué)。

  修正牛頓動(dòng)力學(xué)是說(shuō)引力場(chǎng)在相對(duì)較弱的情況下,其強(qiáng)度不與距離的平方成反比,而是隨著距離的增加衰減得更加平緩。根據(jù)這種引力理論,仙女座星系與銀河系之間的引力比傳統(tǒng)計(jì)算的要大得多。

  2014年,一些天文學(xué)家經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn),如果修正牛頓動(dòng)力學(xué)是正確的,那么銀河系和仙女座星系就有足夠的引力在70億到110億年前,發(fā)生過(guò)一次碰撞。

  盡管我們從來(lái)沒有檢測(cè)過(guò)引力強(qiáng)度在很弱的引力場(chǎng)下究竟怎樣,但是許多物理學(xué)家都不喜歡去修改引力理論。另外,修正牛頓動(dòng)力學(xué)不是 的,在許多星系或星系團(tuán)中,我們?nèi)匀恍枰邪滴镔|(zhì)的存在,來(lái)把這些天體內(nèi)的物質(zhì)都聚在一起。

  總之,修正牛頓動(dòng)力學(xué)無(wú)法完美解決問(wèn)題。

  超流體暗物質(zhì)

  一些美國(guó)物理學(xué)家提議,還可以用“超流體暗物質(zhì)”解決此問(wèn)題。

  超流體,是一種處在玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的物質(zhì)。玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是一個(gè)與固體、液體和氣體完全不同的物質(zhì)狀態(tài),是某些原子一旦低于特定的溫度時(shí),它們的行為如同一個(gè)單一的原子,而且內(nèi)部物質(zhì)流動(dòng)時(shí)是沒有阻力的。當(dāng)溫度上升時(shí),它們很快會(huì)恢復(fù)到正常狀態(tài)。

  如果暗物質(zhì)粒子可以進(jìn)入玻色-愛因斯坦凝聚態(tài),那么就可以解決許多問(wèn)題。在相對(duì)較弱的引力場(chǎng)下,暗物質(zhì)移動(dòng)緩慢,溫度很低,它會(huì)進(jìn)入玻色-愛因斯坦凝聚態(tài),因?yàn)樾袨槿缤粋(gè)單一的粒子,意味著其質(zhì)量或能量是均勻分散到它所存在的范圍里,時(shí)空彎曲得會(huì)更加平緩,產(chǎn)生了類似修正牛頓動(dòng)力學(xué)中的引力。這樣一來(lái),銀河系和仙女座星系就能有機(jī)會(huì)在過(guò)去發(fā)生過(guò)一次碰撞。

  那么,為什么我們沒有在太陽(yáng)系內(nèi)察覺到這個(gè)現(xiàn)象?

  因?yàn)槲覀兩磉呌袀(gè)太陽(yáng)。太陽(yáng)系內(nèi)是一個(gè)引力場(chǎng)較強(qiáng)的地方,暗物質(zhì)無(wú)法在這里進(jìn)入玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。每個(gè)銀河系的恒星附近也是這樣。不過(guò),我們的星系以及所有其他的星系之間,距離很遠(yuǎn),所以在整個(gè)銀河系中,超流體暗物質(zhì)仍占主導(dǎo)地位。

  現(xiàn)在,這些物理學(xué)家正利用計(jì)算機(jī)模型來(lái)研究超流體暗物質(zhì)如何影響星系的碰撞,然后再去找哪些天文學(xué)觀測(cè)可以驗(yàn)證此理論,以及還準(zhǔn)備在實(shí)驗(yàn)室中尋找有哪些低溫下的原子會(huì)產(chǎn)生類似的效果。如果有的話,也許我們可在實(shí)驗(yàn)室中用冷原子氣體來(lái)模擬星系。


 
  巨大的差距
 
  許多科學(xué)家認(rèn)為,不管是修正牛頓動(dòng)力學(xué),還是超流體暗物質(zhì)理論,這些都是不必要的,這就像用大炮打蚊子——大刀破斧地修改理論只是為了解決矮星系分布的小問(wèn)題。
 
  一些天文學(xué)家還推測(cè),矮星系的分布問(wèn)題,可能只是因?yàn)楫?dāng)前計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有限導(dǎo)致的。但模擬與現(xiàn)實(shí)之間的差距是很明顯的。銀河系矮星系構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)直徑約50萬(wàn)光年,但厚度不超過(guò)5萬(wàn)光年。但是計(jì)算機(jī)根據(jù)現(xiàn)有理論模擬出的環(huán)形結(jié)構(gòu),其厚度始終都大于100萬(wàn)光年。這差距太大了,可不是個(gè)小問(wèn)題。
 
  當(dāng)然,這一切并不會(huì)影響銀河系最終的命運(yùn)。
 
  當(dāng)我們的星系走向終結(jié)時(shí),我們可安詳?shù)匦蕾p星系大碰撞帶來(lái)的巨大的“煙火表演”。不過(guò),如果我們真的需要修改引力或暗物質(zhì)理論的話,一個(gè)可以確定的事情是,這場(chǎng)“煙火表演”發(fā)生的時(shí)間應(yīng)該會(huì)比我們所預(yù)期的要早很多。

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