为什么矮星系排起隊？早期宇宙中的“拉链”和“绞扭”可能会解決一個星系的秘密

By Paul Sutter published 10 hours ago

Dark Universe

在早期宇宙中被称为“拉链”和“绞扭”的结构可以解释为什么矮星系倾向與彼此排起隊以及暗示暗物质在宇宙中运作。

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被詹姆斯·韦伯太空望远镜捕捉的一個遥远星系的場。 (Image credit: NASA, ESA, CSA, and STScI)

在早期宇宙中被称为“拉链”和“绞扭”的结构可以解释为什么矮星系倾向于彼此排起隊以及暗示暗物质在宇宙中如何运作。

像银河系这样的每个主要星系都有一群更小的矮星系環绕着它。银河系有几十个，包括著名的大麦哲伦星云和小麦哲伦星云。从 1970 年代开始，天文学家注意到这些矮星系的位置和轨道不是完全的随机。相反，矮星系往往存在在同一个平面内。例如，银河系的最亮的 11 颗卫星共享一个平面，圍繞仙女座星系的许多矮星系形成所谓的仙女座大平面。

当面临像这样一個观测秘密时天文学家轉向计算机仿真來试图了解什么正在发生。那是因为我们只能看到宇宙中所有物质的一小部分——就是发射光的物质。每个大的和小的星系的质量绝大多数都以神秘的、看不见的暗物质的形式。

我们不能直接观測暗物质，因此我们必须用仿真来一起拼凑这个主要成分正在做的以及它如何影响可见的星系。但计算机仿真已經常規的发现矮星系只被分散在各处而不是被安排成特定的平面。

因为矮星系的對齊出現是常见的，星系形成的理论与观测是矛盾的。在一篇 4 月提交给《天体物理学杂志》的论文中，由约翰霍普金斯大学瑪德哈尼（Janvi Madhani） 领导的一个研究小组更深挖掘進复杂的仿真來看是否他们能破解这个秘密。

该团队研究了 12 个跟隨数十亿年暗物质和气体的流類似於銀河系的星系的仿真演化。星系不在一瞬间涌现。相反，它们随着时间隨抛在它們上的物质丝生长，就像一条巨大的宇宙脐带一樣。

正是在这些细丝中研究人员发现了矮星系如何能與彼此对齐。以前的研究假设了一旦矮星系形成，它们就会散佈進随机的轨道。但新的仿真跟踪了气体的演变到更高的分辨率和精度，这允許研究人员來忘记假设并看到实际正在发生的。

这项新研究发现了不是分散而是细丝能與彼此相互锁定并增强它們自己。当它们这样做时它们保持矮星系被約束到一个單一平面。

但该平面的方向依靠隨新的气流连接到同一个宿主星系對细丝发生的。有时，细丝在研究人员叫一個“拉链”中彼此增强——就像你在高速公路入口匝道執行拉链合并一样。这创造一个最终演变成矮星系的集合的气体平面。

另一种案例涉及“绞扭”，這是當一個新细丝与一個有大量角动量的现有细丝合并時。这移动平面的位置但另外保持它原封不動。

但如果太多的细丝连接到同一个星系，那時任何模式被破坏，矮星系得到随机轨道。

总的来说，研究人员发现了我们应该预期像银河系和仙女座一樣星系的大约一半——甚至可能高达 70%——矮星系的平面。

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基於这项工作，在我们预期暗物质和气体當它們构建星系时要做的和实际发生的之间沒有出現任何太大的紧张。因此，虽然它没有揭示一個在我们的宇宙学的理解中的裂缝，但它确实解决天文学中一个长达几十年的问题。

天文学家对星系的形成特别的感兴趣，尤其是早期宇宙中。最近，詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了相当成熟的星系出现在令人惊讶的早期。这些星系可能为一個新的宇宙学范式指明道路，或者它们可能只是另一种拉链和扭结舞蹈的结果。只有更多的观測和更好的仿真將告诉我们。