互动科普

银河系后面的星系

Karaan Korteweg，Ofer Lahav

整个宇宙的1/5以上我们从地球上无法看到，因为它们被银河系的银盘中的尘埃和恒星挡住了。然而，在过去几年里，天文学家已经找到了穿过黑暗窥视的方法。

在一个黑暗的晚上，从远离城市灯光之处，我们可以清楚地看见我们所在的星系——银河系——的银盘，它像一条横跨天空的宽阔带子一样发着微光。这散射的微光中，既有亿万颗恒星直接发出的光，也有来自星际空间的尘粒散射的间接的光。我们生活的地球是处在离上述圆盘当中的银河系中心约2.8万光年处。然而，尽管银河系或许是一个光辉灿烂的奇观，但它却使得研究我们银河系以外的宇宙的天文学家们屡屡受挫。银盘遮断了来自宇宙足足20%的光，并且这20%是非常令人激动的20%。

观测结果表明，在银盘的大致方向有着数量惊人的明亮的近邻星系，这说明还有许多其它的星系至今尚未被我们发现。在不知道我们的盲点中究竟有什么的情况下，研究人员就不能绘制出我们这个角落的宇宙的物质分布的完整图象。这样一来，研究人员就不能解决宇宙学中一些最重要的问题——宇宙的结构究竟有多大？它们是怎样形成的?宇宙的物质总密度是多大？

只是在最近几年里，天文学家们才创造出了透过银盘观察宇宙的方法，以及根据被遮住的宇宙对能够被我们看见的那些部分的影响来重构被遮住的宇宙部分的方法。尽管研究人员目前还远远未能完成这一冗长乏味的任务．但一些引人注目的发现已经证明，这样做是值得的。除了其它东西以外，天文学家们已发现了一个新的星系，若不是被银盘遮住了的话，离我们如此之近的这个星系想必会成为我们的天空中最突出的天体。天文学家们已发现了一些以前从未见过的巨大的星系团，甚至还初次窥视到了难以捉摸的大吸引体的核心部份。

当天文学家们开始区别河外星系和河内星云(两者看上去都只是暗而延伸的天体)时．银河系对河外星系的遮蔽作用就首次被发现了。由于除了银河系所在区域之外，各个地方都有星系出现，该区域便被命名为隐带（见图6）。如今，科学家们已经知道，构成河外星系的除了数十亿颗恒星以外，还包括无数的尘云和气体云。在隐带内，河外星系的光通常不是被数量巨大的前景星遮没了，就是被我们银河系自身的尘埃吸收了。

星系天文学家通常总是避开这一区域，而把注意力集中在天空中未被遮蔽的区域上。然而，100年前的一次关键的观测暗示，他们或许遗漏了什么。对宇宙微波背景辐射——大爆炸的残余效应——的粗略观测显示出180度的不对称，人们称之为“偶极子”。天空中某个部位的温度比平均值约高0.1度，而与之成对角线的另一部位的温度则比平均值约低0.1度。上述观测结果在1989年和1990年得到了宇宙背景探测者号卫星(the Cosmic Background Explorer satellite)的进一步证实，这意味着我们的银河系及其相邻星系（即所谓的“本星系群”）正朝着长蛇座的方向以600千米/秒（和134万英里/小时）的速度运动。这一矢量是根据已知的运动——如太阳绕银心的公转以及我们银河系朝其相邻的旋涡星系仙女座星系的运动——作了校正后得出的。

上述运动是总的说来均匀的宇宙膨胀的一个小的偏离，然而，它起源于哪里呢？许多个星系聚集成星系群和星系团，星系群和星系团又聚集成超星系团，而使得其它区域没有星系。围绕着本星系群的成团质量分布可能施加了一股不平衡的引力吸引，把本星系群往一个方向拉。初看起来，似乎很难相信星系会越过将其分隔开的遥远距离相互影响。然而，相对于其质量，星系之间的距离就比我们银河系内各个恒星间的距离要近。

把已知星系所引起的引力加起来，就能计算出本星系群的期望速度。尽管最后所得到的矢量与观测到的宇宙背景偶极子相差在20度以内，但计算出来的结果仍是很不确定的，其部分原因在于没有把隐带后面的星系考虑进去。

由于偶极子的方向与期望的速度矢量的偏差长期得不到解决，使得天文学家们假设有吸引子（attractors）存在。一个研究小组——即后来所谓的7武士——利用数百个星系的运动推断出，在离我们银河系约2亿光年的地方，有大吸引体存在(参见本刊1988年1月号Alan Dressler所撰“星系的大尺度流动”一文)。本星系群似乎成了大吸引体和同样遥远的、在天空对面的英仙座一双鱼座超星系团激烈争夺的对象。要想知道谁将赢得这场竞争，天文学家们就必须知道上述天体结构中被遮蔽的部分的质量。

大吸引体和英仙座双鱼座超星系团都是称为超星系平面(Supergalactic Plane)的长链状星系结构的组成部分。据认为，这样一个大结构的形成依赖于组成宇宙主体的不可见暗物质的本质。星系链应更有可能存在于这样一个宇宙中，在其中占支配地位的是所谓的热暗物质粒子(如大量的中微子)，而不是冷暗物质(如轴子或其它假想的粒子)。然而，天文学家们只有在完全绘制出上述天体结构之后，才能鉴别上述两种可能性。

在本星系群的主体运动中，不能忽略近邻星系。由于距离越短引力越强，最邻近的星系就能产生一股显著的作用力，即使这种星系的数量不大。并且，令人感兴趣的是，8个显然最亮的星系中，就有5个处于隐带之中。由于它们靠得太近而又很亮，它们能透过黑暗发出光亮。上述星系属于半人马座A星系群和IC34星系群，它们都是我们本星系群的近邻。上述星系群中每有一个天文学家们设法看见的成员，或许就有许多其它的成员，它们所发出的光已被完全遮蔽了。

揭开雾罩

诚然，我们的观察视角本来有可能更为不利。如果我们现在是生活在邻近的仙女座星系，天空中被遮蔽的部分想必不会有很大的不同，然而我们也会无法清楚看到室女座超星系团中最邻近的星系团。但即使是惯于乐观视事的人也会承认，我们目前有点不大走运。由于太阳绕银心公转的轨道是倾斜于银道面的，太阳系就参与了银道面上下的本轮运动。目前，我们所处的位置只高于银道面40光年。如果我们出生在从今以后的1500万年，我们的位置就会在银道面上方近300光年处——即在最厚的遮蔽层之上——并且可以看见目前的隐带的一侧。要穿过银盘走到另一侧，就还需要3500万年。

大多数天文学家都不想等这么久才来了解隐带后面的河外空间。在此期间他们能做些什么呢？首先，他们可以仔细审查现有的可见光图象。隐带中的尘埃并没有完全遮住所有星系，尽管离银道面中心越近，星系就越是显得暗而小，但一些星系的光仍能透过银道面。上述星系的奇特外表连同前景星的高密度会迷惑用来分析图象和辨认星系的计算机软件。因此各个天文学家小组都回转来采用分析图象的旧式方法一—用肉眼进行分析。在过去10年里，研究人员辛勤地搜寻了本世纪50年代由帕洛马天文台及相应的南半球进行的巡天观测的照相底片。目前，研究人员已完成对隐带的一个主要部分的搜寻，并已发现5万个以前未列入目录的星系。

然而，在光线被尘埃吸收得过于严重的区域，星系被完全遮蔽了，因而必须采用其它方法。目前主要的方法是以较长的波长进行观测。波长越长，辐射同微观尘粒的相互作用就越小。在这方面，由电中性的氢气发出的21厘米的谱线很理想。这种谱线能够显示出富含气体的旋涡星系、本身很暗的星系以及矮星系的踪迹，即除了缺少气体的椭圆星系之外的大多数星系。

1987年，新墨西哥大学的帕特丽夏·A·享宁和马里兰大学的弗兰克L·克尔率先进行了一项2厘米谱线观测计划。他们将设在西弗吉尼亚州格林滩(Green Bank)的直径为91米的射电望远镜指向隐带的随机点，并发现了18个以前不知道的星系。遗憾的是，在他们完成该项计划之前，这台望远镜就惊人地倒塌了。(其重建工作预计将于明年完成。)包括笔者在内的一个国际研究小组进行了一项更具系统性的观测。这项历时更久的观测计划是利用设在荷兰的直径为25米的德温格鲁射电望远镜进行的，目前正在为1.75亿光年以内的隐带北部的所有旋涡星系制图。到目前为止，该计划已发现了40个星系。

去年，由设在马斯费尔德(Marsfield)的澳大利亚国家望远镜设施(the Australia Telescope National Facility，简称ATNF)的利斯特·斯塔夫利一史密斯(Staveley Smith)和笔者之一克兰·柯特维格(Kraan Kofteweg)领导的另一项国际合作观测计划开始对银河系南部进行更为灵敏的观测。这项观测计划要为5亿光年范围内的星系制图，它要利用设在澳大利亚帕克斯的直径为64米的射电望远镜上的一台特制的设备来进行。到目前为止，已发现100个以上的星系，当这项计划全面完成时，预计还将发现成千上万个星系。

无线电波段并非唯一可能透过隐带的途径。红外光所受到的来自尘埃的干扰也比可见光要小。本世纪80年代初，红外无文卫星(the Infrared Astronomical Satellite，简称IRAS)就曾以远红外波长(即接近无线电的波长)对整个无空作过观测。它初步发现了一些红外明亮星系，尤其是旋涡星系和恒星爆发(starburst)星系，在这类天体结构中，恒星正在迅速而大量地形成。红外无文卫星所选中的靠近隐带的待定星系目前正在借助于以近红外波长(即接近可见光的波长)拍摄的影象重新进行研究。

还有两项预定于2000年完成的系统的近红外观测计划目前也正在进行中，其中一项是美国的2微米全天观测计划(the two Million All Sky Survey，简称TMASS)，另一项是欧洲的针对南半球的DEN玛计划。上述两项计划都以3个波段拍摄数字影象，它们能够探查到星系中的较老恒星族。这些观测很容易地找到了在星系密集区的中心处的椭圆星系的踪迹，从而弥补了远红外和21厘米波段的不足，用后者观测时，所找到的主要是旋涡星系。一项先导研究已证明，近红外观测确实揭露了未在可见光照片上留下踪迹的星系。遗憾的是，不管是可见光还是红外光都未能分辨出银河面最厚部分的星系。

另一种克服遮蔽作用的可能的方法是以非常短的波长(如X射线)进行观测。高度密集的星系团都能发射出大量的X射线，它们几乎能够不受阻碍地穿过银河系。然而，至今尚未进行有可能利用来自ROSAT和其它卫星的现有数据的X射线观测。

除了直接观测以外，天文学家们还利用间接的手段探查了隐带工程技术人员普遍应用于噪声数据和不完整数据的信号处理方法，已被希伯莱大学的研究人员和笔者之一拉哈夫(Lahav)成功地用于预示诸如船尾座和船帆座一类星系团的存在，以及横跨隐带的超星系平面的连续性。星系的速度还可用于隐带的两侧以预测其间的质量分布．借助于上述方法，据研究人员预测，大吸引体的中心处于连接半人马座和孔雀座的一条线上。然而，上述重建方法只能推断出横跨隐带的最大尺度的特征，单个的星系和较小的星团则被漏掉了。

银河系的猎物

这类方法正在缓慢地使宇宙被遮蔽的1／5向无文学观测开放。1994年，一项最惊人的发现产生了，当时，尚在不列颠哥伦比亚大学任职的罗德里格·A．伊巴塔（Rodrigo A Ibata)、剑桥大学的杰拉德·F．吉尔摩(Gilmore)以及英国剑桥格林尼治皇家无文台的迈克尔·J．欧文在研究银河系的恒星时偶然发现了一个就在我们家门口的星系。这个被命名为人马座矮星系(the Sagittarius dwarf)的星系目前是已知的离我们最近的星系，它离太阳系只有8万光年，还不到离我们第二近的大麦哲伦云的距离的一半。事实上，人马座矮星系就在银河系内——在银心的远端。

由于人马座矮星系就在银河系中央核球的后面因而在直接的影象中无法看到它。天文学家们是根据对恒星的速度观测结果才偶然发现它的——他们探测出了一组运动速度不同于银河系恒星的恒星。通过对以上述速度运动的恒星的准确定位，寻找其它一些距离相同的恒星，并把已知的前景星发出的光考虑进去，他们制出了人马座矮星系的图（见图3的左图)。从这头到那头，该星系至少延伸了20度从而使之成为银河系之后无空中最大的视结构(apparent structure)，它的角大小相当于至少为28000光年的直径，约为银河系的直径的1／5。虽然人马座矮星系的质量只有银河系的千分之一。

许多流行的星系形成模型都认为，大星系是由许多较小的星系的漫长的聚集过程形成的。虽说这一过程很少得到观测，但它如今仍应是普遍存在的。虽然人马座矮星系似乎已经受到了银河系的引潮力带来的一定程度的扰动，但人马座核心所受到的扰动作用却小得意想不到。人马座矮星系可能已绕银河系运行了10次以上，然而却基本上仍是完整的，这说明它是由大量的暗物质(相对于恒星或气体云一类亮物质)凝聚在一起的。虽然如此，但其消亡却只是个时间问题。一些研究意味着，可能只要再过10亿年，人马座矮星系就会被我们银河系吞没。人马座矮星系的发现已经证明，合并确已发生，并且今天还在发生，合并并不一定损坏银河系的圆盘。

人马座只是从隐带涌现的许多令人惊奇的发现之一。1994年8月，笔者和德温格鲁遮蔽星系观测(the Dwingeloo Obscured Galaxy Survey简称“DOGS”)小组其余的人研究了我们最初的21厘米谱线我们选择了一个许多光谱线在隐带消失以及邻近的星系群IC342所在的区域。很快我们就在仙后座的方向发现了一个令人感兴趣的射电谱。射电观测结果容易受到干扰，这种干扰有可能和河外射电谱极为相似。此外，上述特征还和星系气体发射的波谱掘在一起。然而，各项实验均已证实上述信号，从而标志着另一个以前不为我们所知的近邻星系的发现。

剑桥大学的乔治·K．T．豪(Hau)发现了一个极其暗的可见光天体。其位置与上述射电信号的位置相符。不久以后，各台望远镜获得了更加深人的图象，它充分揭示出该星系的形状一个两端有旋臂伸出的条带(参见图3的右图)。如果它的位置不是在银道面的后面，那么，被命名为德温格鲁1号的该星系就会是天空中十大最亮天体之一。根据其旋转速率推测，其质量约为银河系的1／3，和M号星系——本星系群中仅次于银河系和仙女座星系的第三大星系——不相上下。在进行德温格鲁1号的后续观测的同时，荷兰的韦斯特博克合成射电望远镜”(Westerbork synthesis Radio Telescope)在离它仅1／3度的地方，发现了又一个星系——德温格鲁2号星系，它是一个直径和质量分别为德温格鲁1号星系的一半和1／10的矮星系。德温格鲁1号和2号星系距离我们有1千万光年，离本星系群很近，但刚好超出本星系群的范围。这两个星系似乎与IC342号星系有关联。后来，在敏感的光学影象上，又发现了本系中的另外两个星系。

尽管天文学家们还必须探查整个隐带，但目前他们已经可以排除在银河系的后院中有其它仙女座大小的星系存在的可能性。事实上，银河系和仙女座星系确实是本星系群中占支配地位的主要星系。尽管未能获得另一项重大发现或许有些令人失望，但它确实排除了我们的近邻在运动学上的不确定性。

星系团与超星系团

对隐带的研究还推翻了天文学家们对宇宙更遥远的部分的观点。利用设在德国埃弗尔斯堡(Effelsberg)附近的一台直径为100米的射电望远镜，天文学家们在船尾座内发现了一个距离我们6500万光年的新的星系团。其它几个方面的证据(包括对IRAS发现的星系的分析结果)也使天文学家们得出了同一结论——把船尾座考虑进去，就会使本星系群的预计运动与所观测到的宇宙背景偶极子更一致。

上述研究能否揭开大吸引体神秘的面纱？尽管在大吸引体的假定方向上可见星系的密度确实在增大，但这一不定形的质量的核心至今仍然使研究人员感到困惑。本世纪80年代，乔治 O．阿贝耳在大致正确的方位发现了一个星系团，当时它是隐带中唯一已知的星系团。

然而，由于它仅含有50个星系，它很难算是一个吸引体，更不用说一个大吸引体了。经过最近的研究．该星系团的真正星系含量和意义已变得清楚起来。克兰一柯特维格和德国加尔兴欧洲南方天文台的帕特里克·A．瓦特(Woudt)一起，已发现了该星系团中另外600个星系。我们和法国以及南非的同事一起，通过南半球的各台望远镜已获得了多项谱线观测结果。所观测到的多个星系的速度暗示，该星系团的质量确实非常大，相当于著名的后发座星系团，其总质量有银河系的1万倍那么大。天文学家们终于看到了大吸引体的中心。与周围的星系团一道，上述发现有可能充分解释邻近的字宙区域中所观测到的星系的运动。

宇宙结构的等级制度并未止于此。对隐带的观测研究已发现了一些规模更大的成团结构（clumpings）。日本歧阜大学的Kenichi Wakamatsu已在蛇夫座内发现了一个距我们3.7亿光年的超星系团。尽管该超星系团在银心——恒星极其密集的区域——的后面，但Wakamats还是在巡天观测的照相底片上发现了该星系团的数以千计的星系。蛇夫座超星系团或许同武仙座的另一个超星系团有联系，这说明存在着一些连贯的结构，其尺度即使对于天文学家们来说也是令人吃惊的。

对于一代又一代的天文学家们来说隐带一直是研究诸如银河系的形成、本星系群运动的起源、星系链的连接以及宇宙中星系的实际数量等基本问题的一大障碍。过去10年里为揭开这一神秘面纱而作出的努力已使以前的隐带变成了河外天空中最激动人心的区域之一。神秘的大吸引体已被相当完整地绘制出来，人马座矮星系的发现已显示出银河系是如何形成的，巨大的宇宙纤维(cosmic filaments)也在向关于暗物质和结构形成的学说提出疑问和挑战。这一未知领域（caelumincognitum）还有更多的奇事在等待着天文学家们去发现。河外天空的奥秘正在逐步地得到揭示。

【张牛 译 郭凯声 校】