互动科普

皇家彗星探索者（雪貂）正忙于跟踪他的观测目标。1779年4月15日晚，CharlesMessier在巴黎天文台注视着彗星1779沿其穿越太阳系的扁长轨道慢慢地经过室女星座和后发星座之间。Messier在彗星探测方面的名望使路易十五赐予他雪貂（一种毛茸茸的动物）的雅号，但那天晚上却因另一个原因而奠定了他在天文学史籍中的地位。他注意到了三个模糊的斑块，它们像彗星，但每天晚上的位置却不变动。他将这些斑块列入了他编制的假彗星一览表中，这样在其实际工作中(探索彗星)就不会被它们误导。后来他指出在室女星座和后发星座之间的小区域内有13个斑块。在Pierre Mechain的帮助下，最终确定共有109个这种静止斑块——也就是今天业余和职业天文学家都很熟悉的Messier天体。

就象天文学上经常出现的情形那样，Messier发现了一些完全不同于他追寻的东西。他发现了宇宙中靠自身重力聚合在一起的最大质量天体的第一个实例：星系团。星系团是星系的系综，正如星系是恒星的系综一样。在宇宙的机构图中，它们就象副总统一一仅仅比宇宙本身低一级。事实上，它们同人的质量之比超过了人同亚原子粒子的质量之比。

从许多方面看，星系团都是天文学家从外面研究宇宙最理想的天体因为一个星系团包括各种年龄和类型的恒星和星系，它代表了宇宙物质的一般情形——包括支配着天体的运动，但人类眼睛却不能看见的暗物质。因为星系团是引力在极大范围上作用的结果，所以它的结构和演变与字宙本身的结构和演变密切相关。由此，星系团的研究将为宇宙学最根本问题中的三个：宇宙的成份、结构和最终归宿提供线索。

Messier在巴黎发现上述天体之后几年，William Herschel和他的妹妹Caroline开始在他们的英国花园中验证Messier天体。他们对这种天体很感兴趣，决定搜索是否还有更多的这类天体。他们使用比其法国前辈优良得多的望远镜，发现了2000多个模糊斑点——仅室女座星系团中就有300个。William和他的儿子John都注意到这些天体在天空中成团排列情形。什么东西将这些天体(现在我们知道是星系)组织成他们看到的格局？

第二个问题始于本世纪30年代中期，那时天文学家Fritz Zwicky和Sinclair Smith在测量室女座星系团和后发座中一个稍远星系团中的星系的速度。就象行星环绕太阳质量中心运行那样，星系也环绕所在星系团的质量中心运行。然而星系运行得极快，以致它们的集聚质量不能提供足够的引力将它们全部集聚在一起这些星系团必须具有可见星系近100倍的质量，否则星系很久以前就脱离了星系团。没有逃逸表明星系团极有可能由看不见的或暗物质构成。但这些物质是什么呢？

这两个谜团——空间星系的不均匀分布和暗物质的未知性质——仍然困惑着天文学家。本世纪60年代中期宇宙微波背景辐射发现之后，前一个谜团变得特别令人迷惑不解。辐射——大爆炸之后及恒星和星系形成之前的宇宙的快照——几乎是完全平滑的。它今天的结构有点微小的缺陷：但形成过程仍不清楚(参见本刊1986年11期Jack O．Burns宇宙中的巨大结构”)。自Zwicky时代以来天文学家对暗物质了解得更多一点。但是他们仍然处于不安的状态．因为尚不知道宇宙的大部分是由什么构成的(参见本刊1987年4期Lawrence M．Krauss“宇宙中的暗物质”)。

暗物质之光

受这些谜团的驱使，40年来星系团探索中的发现步伐加快了。现在天文学家已知道了大约10000个星系团。50年代早期，美国天文学家George Abell根据加利福尼亚帕洛马天文台拍摄的完整北天照片编制了第一部大型图表。到了70年代天文学家感到他们至少已经认识了星系团的基本性质它们由被巨量的暗物质聚集在一起的快速运行的星系构成：它们是稳定的永不改变的天体。

1970年，一颗新卫星，被命名为Uhuru(在斯瓦希里语中意为“自由”）纪念其在肯尼亚发射，开始观测当对天文学家几乎观测不到的一种辐射形式：X射线。马萨诸塞州一家小公司——美国科学与工程公Herbert Gursky、Edwin M Kellogg及他们的同事将Uhuru对准了室女座星系团和后发座星系团。他们发现，星系团不仅包括星系，还包括充满星系间空间的大量气体。这种气体极其稀薄，不能以可光形式被看到：但它非常热——2500万摄氏度以上一一以致能发出X射线。

总而言之，天文学家已发现了部分暗物质——以质量计为20%。尽管这种气体不足以完全解开暗物质之谜。但它们的质量的确比所有星系集聚在一起的质量还要大。从某种程度上说，星系团这一说法是不准确的。这些天体是气体球，星系就像西瓜中的籽粒那样容于其中（参见《Scientitic America》1978年11月号Paul Gorenstein和Wallace Tucker所著“Rich Clusters of Galaxies”)。

自70年代早期以来，X射线发射也被其它的卫星观测到过，例如爱因斯坦X射线探测者、伦琴X射线卫星(ROSAT)和宇宙学与天体物理学高级卫星(ASCA)。我们的研究主要利用ROSAT。ROSAT是第一台记录整个天空图像的x射线望远铙特适于观测巨大弥漫天体(1a星系)，现正在制作这些区域的详细图像。由于有了这种新技术，天文学家已超越了Messier、Zwicky和其他前辈的发现。

在X射线上观察时，后发座星系团具有近乎规则的形状，而只有少量团块。这些团块似乎是星系群一一也就是小型星系团。西南方向的一个团块正进入星系团的主体，这里已有其它团块占据着。比较而言，室女星系团的形状是未定形的。尽管它有额外X射线发射区，但这些亮点却来自某些Messier星系而不是来自气体团。只有室女星系团北部核心区才是近似的对称结构。

这些x射线图像使天文学家得出了星系团是由星系群台并而成的结论。后发星系团主体中的团块可能是已经吸入但尚未完全同化的星系群。室女星系团似乎处于形成的，更早期阶段。它依然在把周围的物质拉进来，按照目前的进展速度，将在几十亿年后变成后发星系团现在的样子。星系团吞食并消化附近物质这种动态观点与天文学家仅仅几年前所持的静态观点形成了鲜明对比。

测量星系团的温度

从80年代早期获得第一批理想的X射线图像起，天文学家们就想测定星系团间气体温度的变化。但是测量温度要比获取图像困难得多，因为它要求分析星系团各位点的X射线谱。只是到了1994年才弄出了第一批温度图。

温度图证明星系团的形成是一个剧烈的过程。例如星系团Abell2256的图像显示，x射线发射不是只有一个而是有两个峰。西边的峰略为缓和，这表明撞人星系圈主体的星系群就象扫雪机那样掠去了物质。温度图支持了这种解释。它表明西峰较冷．其温度是星系群气体特有的温度。因为星系群比星系团小，其内的引力也较弱．所以．它内部的气体分子速度——也就是温度——就低一些。一般星系群的质量是太阳的50万亿倍，温度1000万摄氏度。比较而言，一般星系团的质量是太阳的1000万亿倍，温度为7500万摄氏度，已知星系团最重的是前者质量的5倍，温度将近前者的3倍。

Abell2256中的两个热区域出现在与星系群推测运动轨道垂直的线上。这些热似乎是在被扫起的物质喷向外面并进入主星系团内时产生的。实际上，这些观察结果和融舍星系群的计算机模拟相吻合。这种星系群可能要用几亿年才能插入星系团的中心。因此Abell2256依然处于融合的早期阶段。

另一个星系团Abell754明显处于融合的后期阶段。这个星系团有两个显著的特征。第一，光学照片显示它的星系呈两簇分布。第二，X射线观察显示，炽热的星系团热气体从一个棒状体中呈扇形喷出。星系簇之一处于棒状体区域，而另一个星系簇则在西边高温区域的边缘。

理论家可用类比方式来解释这种结构。假设向游泳池抛投一个内有细石的水气球。气球代表融合的星系群：水代表气体，细石代表星系，游泳池代表主星系团。当气体碰到池中的水时，它就破裂。球本身的水留在表面慢慢地融合，而细石则向池的另一侧运动。类似的过程明显发生在Abell754上。来自参与融合的星系群气体突然受到星系团气体的阻滞，而星系群星系则穿过星系团向其远侧边缘运动。

第三个星系团Abelll795显示它是融台数十亿年后的星系团。该星系团的轮廓非常平滑，其温度几乎一致，这表明该星系团已阿化了它的所有星系群并处于平衡状态。唯一的例外是其最中心有一个冷区域。较低温度出现的原因是中心气体密度大，而密度大的气体发射X射线比稀薄气体更多。如果20~30亿年未受干扰，高密度气体能将其原来能量大部分辐射掉，从而冷却下来。

随着气体的冷却，大量微温物质形成一足以形成一个完整的新星系。那么这些钫质去哪儿了呢？尽管进行了详尽探索但是天文学察仍未肯定地探测到微温气体团。从温度图上看，星系团气体明显正在失去热量。或许热量损失仅仅最近才开始发生，或者也许是星系群的碰撞阻止了冷气体在一个团块中聚集。这些所谓的冷气体依然是另一个未解之谜。

由小变大

这三个Abell星系团所代表的演化顺序也可能是每一个星系团增长时所遵循的顺序。星系群不时地加入星系团：每一个星系群加人时，星系团都获得了热气体、亮星系和暗物质。这些额外的质量产生了更强的引力，从而使气体变热并使星系加速。大多数天文学家相信，几乎所有的宇宙结构都以这种由小变大方式附聚而成。星团融合形成星系，星系又融合形成星系群，而现在星系群又正融合形成星系团。将来星系团可能融合形成更大的结构。然而，存在一个由宇宙膨胀所确定的限制。最终，星系团将相距过远而不能融合实际上，宇宙可能已经接近这一点了。

根据宇宙尺度来衡量上述星系团(后发星系团、室女星系团星系团Abell2256、754、1795)都算近邻天体。天文学家了解它们成长的尝试就类似从一群人的一张照片了解人的成长。只要体略加注意，就能将照片上的人划归适当的年龄序列。然后你就能推论，随着年龄增大，他们一般长得越来越高，同时还发生另外一些可以看出来的变化。

你还可以通过考察一系列照片来研究人的成长，每张照片只包含某一年龄段的人，例如小学、中学和大学的全班合影。与此类似天文学家可以观察到与地球的距离依次增大的一系列星系团。(距离越大，相应的时间就越早。)一般而言，较远样本中的星系团比更近样本中的星系团更年轻。因此，研究人员可将不同年龄星系团归为一起成为它们的全班合影。这种方法的优点是让天文学家研究星系团的整体而不仅仅研究几个单独的星系团。缺点是较年轻的天体太远而无法详细研究，只能了解它们的一般特征。

J. Patrick Henry将此法应用到了ASCAX射线卫星观测上。他发现，遥远的较年轻星系团比附近的年龄较大的星系团冷。这种温度差异表明，随着时闻推移，星系团越来越热，从而质量越来越大——进一步证实了从小到大模型。根据这些观测，研究人员已估计出了宇宙中星系团演化的平均速度。

这种速度与宇宙的整体演化和暗物质的性质有关，从而表明宇宙会不断膨胀。新的x射线观测可能揭示星系团中暗物质的真正面目。到2000年末，将有3颗先进x射线观测卫星上轨：美国的高级x射线天体物理卫星、欧洲的X射线多镜面卫星和日本的ASTR0一E卫星。

与此同时另一种辐射(也就是远紫外光)观测也在失去其神秘性。远紫外光具有的能量略低于X射线的能量。它被我们星系中的物质大量吸收了，因此天文学家认为大多数星系团在这一波段上是不可见的但是，最近阿拉巴马大学亨茨维尔分校Richard Lieu、加州大学伯克利分校C．Stuart Bowyer和他俩的同事采用灵敏的远紫外光探测卫星研究了5个星系团。

他们发现，这些星系团发出明亮的远紫外光。在某些方面，这一发现与70年代早期第一次探测到星系团x射线同样令人意外。虽然某些紫外辐射来自发射X射线的同一气体但是似乎至少在一些星系团中存在另外的紫外辐射来源。这一发现非常新，还没有得到解释。也许天文学家第一次发现了星系团暗物质的又一组成部分。即将运行的X射线卫星可能确认这种新组分。

我们这些从事此种研究工作的人感到与Charles Messier有种特殊的联系，当他专心观测室女座中亮度微弱的斑块时，却并不知道它们的真正意义所在。虽然我们的技术已很先进，我们依然要费很大的力来了解这些星系团。我们也感到与未来的观测者有某种联系，因为科学的进步是连续不断的渐变过程。我们受惠于前辈也要与后来人分享我们的成果。