“奇異”矮星系的身世之謎 | 賽先生天文
一個“不幸”（起碼對人類來說）的消息是：在大約40億年后，我們的銀河系將與仙女座大星系發(fā)生近距離碰撞，這兩個盤狀的星系終將并合成一個近似橢球狀的星系，到那時， 夜空中不再有“銀河”。
撰文 | 張紅欣（中國科學技術(shù)大學）
責編 | 韓越揚 呂浩然
01
為大塊頭星系分門別類——哈勃序列
19世紀末，照相底片巡天觀測開啟了星系結(jié)構(gòu)的定量化研究。到了20世紀中葉，近鄰宇宙中最常見的星系形態(tài)類型都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。同一時期，人們將正常星系劃分為橢圓星系、透鏡星系、旋渦星系三類，而將那些無法歸入以上三類的統(tǒng)稱為不規(guī)則星系或奇特星系。愛德文·哈勃（Edwin Hubble）等人針對正常星系，發(fā)展了一套簡潔的形態(tài)分類系統(tǒng)（Hubble 1926），也就是星系分類中使用最廣泛的“哈勃序列”或“哈勃音叉圖”。天文學家通過觀測發(fā)現(xiàn)：哈勃序列上的星系類型在50億年前就已經(jīng)全部存在了。
圖1：經(jīng)過擴展和修正的哈勃序列，圖片來源：Kormendy & Bender（1996）
哈勃序列的強大之處在于，它僅基于幾個連續(xù)分布的形態(tài)參數(shù)，就將當時已發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)星系囊括其中。沿著哈勃序列從左往右，星系的中心聚集度越來越低，旋渦星系的旋臂結(jié)構(gòu)也越來越不顯著，最后甚至“亂作一團”（圖1最右部分）。人們習慣把靠近哈勃序列左側(cè)的星系稱作早型星系，而把右側(cè)的稱作晚型星系。
雖然哈勃序列是一個形態(tài)的序列，但人們發(fā)現(xiàn)，它有一些重要的特點，比如越靠近序列右端的星系，越傾向于具有更低質(zhì)量、更高比例的年輕星族等等。這些“額外”的特點賦予了哈勃序列更為豐富的內(nèi)涵，也是哈勃序列在星系分類方案中能夠保持主流地位的一個重要因素。
正如食物鏈底端的生物數(shù)量遠大于頂端的生物數(shù)量一樣，處于低質(zhì)量端的星系（圖1右側(cè)）數(shù)量也遠高于大質(zhì)量端的星系（圖1左側(cè)）數(shù)量。盡管如此，哈勃在提出其形態(tài)分類方案時，所基于的樣本仍主要由最容易被觀測到的大星系構(gòu)成。低質(zhì)量端星系的缺失是所有流量限定的巡天都面臨的問題，哈勃更是將其樣本中僅有的矮星系排除在了最初的哈勃序列之外，而將其歸為了不規(guī)則星系或奇特星系。因此，哈勃序列一開始是為星系界的少數(shù)派——大質(zhì)量星系——而設(shè)計的一套分類系統(tǒng)。
通過將哈勃序列向右延伸，de Vaucouleurs（deVaucouleurs 1959）把類似小麥哲倫云的矮不規(guī)則星系放在了序列的最右端。這一延伸完全符合哈勃序列已有的“秩序”，即越靠近序列右端的星系越傾向于具有更低的中心聚集度、更不顯著的旋臂結(jié)構(gòu)和更小的質(zhì)量等等。但是，矮星系的族群里也不只有遵守“秩序”的矮不規(guī)則星系。
02
松緊不一樣的矮星系，哪個才是“真正”的矮橢圓星系？
沿著質(zhì)量這個維度從高往低走，在大約十分之一銀河系質(zhì)量的地方，星系的分布出現(xiàn)了兩個界限有些模糊的分支（圖2）。
一個分支上，星系的中心聚集度低于大質(zhì)量星系，且隨著質(zhì)量的減小而遞減（疏散支），另一個分支上，星系的中心聚集度接近甚至高于橢圓星系（致密支）。還有一類游走于兩個分支之間，叫藍致密矮星系，它們近期形成的恒星的空間聚集度顯著高于普通矮不規(guī)則星系。
從哈勃序列已有的“秩序”來看，這些低于十分之一銀河系質(zhì)量的星系，除了位于疏散支上的矮不規(guī)則星系之外，其它矮星系類型都顯得很“奇異”。
中心聚集度高的矮星系被看作“奇異”星系的原因自不必多說。而對于疏散支，有一批常見的矮星系，它們形態(tài)的規(guī)則程度和平滑程度都類似于橢圓星系，但其中心聚集度顯著低于后者，這正是哈勃當初將它們標記為奇異橢圓星系的原因。
站在星系質(zhì)量的分叉口上，人們對于哪些才是和大質(zhì)量橢圓星系對等的矮星系族群、以及“奇異”矮星系的形成機制產(chǎn)生了分歧。
以John Kormendy為代表的學者們認為，致密支上的平滑星系是“真正”的矮橢圓星系，它們具有和橢圓星系相似的形成模式——都形成于星系間的并合；而疏散支上的平滑星系，則是矮不規(guī)則星系在氣體丟失后慢慢演變而成的?；诖耍琄ormendy等人建議：將疏散支上原本被叫做“矮橢圓星系”的那些家伙改名為球狀星系，然后把“矮橢圓星系”這個名頭移交給致密支上的星系。
但以Alister Graham為代表的學者們則認為，疏散支上的平滑星系和橢圓星系，在結(jié)構(gòu)上形成了一個連續(xù)變化的序列，是名副其實的矮橢圓星系；而致密支上的那些家伙只不過是一些星系“零部件”而已。由于幾乎所有致密支上的平滑星系，都是在大質(zhì)量星系或星系團等“惡劣”環(huán)境下被發(fā)現(xiàn)的，因此一個流行的觀點是，它們是一種殘存的致密星系核，由其前身星系的疏散恒星“外套”被潮汐剝離后而形成。
對于藍致密矮星系而言，導(dǎo)致其氣體聚集，從而恒星形成活動高度集中的機制是什么呢？一種常見的觀點認為，這是由近期發(fā)生的星系并合事件導(dǎo)致的；而筆者與合作者根據(jù)矮星系動力學熱的特點提出——“劇烈盤不穩(wěn)定性”機制是驅(qū)動藍致密矮星系內(nèi)氣體高效內(nèi)流和聚集的可能原因。
徹底揭開這些“奇異”矮星系的身世之謎并非易事。但從上文可以注意到，星系并合是辨別各派觀點的一個重要因素。那么星系并合到底是怎樣一個物理過程？矮星系并合對改變星系的形態(tài)又有什么“奇效”呢？
03
鳳凰涅槃般的星系并合
Alar Toomre在1977年在耶魯大學舉辦的一個研討會上，提出了旋渦星系之間可以發(fā)生并合，從而形成橢圓星系的觀點。距此五年前的1972年，Alar Toomre和他的兄弟Juri Toomre利用計算機模擬星系的相互作用，成功重構(gòu)出了與觀測相符的潮汐橋和潮汐尾結(jié)構(gòu)。自此，人們開始普遍接受這些星系的潮汐結(jié)構(gòu)起源于星系相互作用的觀點。
那么，星系并合是如何把以旋轉(zhuǎn)為主要運動形式的旋渦星系“捏合”成以無規(guī)運動為主的橢圓星系的？原來，當質(zhì)量相近的星系發(fā)生碰撞和并合時（即主并合），引力場的空間分布會劇烈且快速（幾億年左右）地變化，間接“促成”了恒星之間的快速能量交換（意味著“忘記”它們原有的運動狀態(tài)），并使整個系統(tǒng)趨向于新的平衡。在這個劇烈弛豫（即快速趨向平衡）的過程中，并合遺跡的中心聚集度不斷增大。
不過，Toomre提出其星系并合及橢圓星系形成的觀點時，只考慮了星系的恒星成分。這導(dǎo)致其理論面臨三個棘手的問題。首先，根據(jù)典型星系群（galaxy groups，最利于發(fā)生星系并合的環(huán)境）中星系的數(shù)密度和速度彌散來推算，在137億年的宇宙演化歷史里，星系盤之間發(fā)生碰撞的幾率低到可以忽略不計；其次，即使兩個星系盤碰巧發(fā)生了相互作用，也會因為難以轉(zhuǎn)移掉相互繞轉(zhuǎn)的角動量，而無法發(fā)生并合；最后，橢圓星系中心附近的相空間（即速度和位置構(gòu)成的六維參數(shù)空間）密度[1] 一般高于旋渦星系，而恒星系統(tǒng)無碰撞的特點意味著它們的并合無法提高相空間密度。
隨后，人們很快找到了解決這三個棘手問題的得力“幫手”，那就是暗物質(zhì)暈和氣體。
首先，在上世紀70年代末到80年代初，越來越多的觀測表明，星系的周圍似乎普遍存在一個尺度（和質(zhì)量）比其發(fā)光成分（包括恒星和氣體）大一到兩個量級的暗物質(zhì)暈，這相應(yīng)地將星系并合發(fā)生的幾率提高了兩到四個量級。而一旦發(fā)生并合，暗物質(zhì)暈通過施加動力學摩擦，可以有效地“吸收掉”星系盤之間的繞轉(zhuǎn)角動量。上述三個問題中的兩個隨即得到解決。
其次，和恒星成分不同，氣體成分可碰撞，并且可以通過輻射降溫。當兩個星系以幾十到幾百公里每秒的速度相互接近時，其中的冷氣體會以超音速發(fā)生碰撞并產(chǎn)生激波加熱，這個過程可以把動能轉(zhuǎn)化為熱能，并通過輻射將其耗散掉。
并合過程中的潮汐作用會使星系顯著偏離軸對稱結(jié)構(gòu)，這極利于氣體成分轉(zhuǎn)移掉角動量而流向星系中心區(qū)域，繼而可能在中心“引爆”劇烈的恒星形成活動，增加并合遺跡中心區(qū)域的恒星數(shù)密度。并合導(dǎo)致氣體內(nèi)流的想法得到了計算機模擬的支持。
除了相當一部分氣體被“轉(zhuǎn)移”到星系中心區(qū)域之外，還有一部分氣體會被潮汐力“甩”到離星系中心很遠的地方（可以遠達數(shù)十倍的星系半徑之外）。隨著星系并合的完成，絕大部分被甩出去的氣體會慢慢回流，在“并合殘骸”之上形成一個新的氣體盤。不難想象，如果這個氣體盤足夠大，并且能夠形成恒星，并合殘骸會被慢慢披上盤狀（旋渦）星系的“外衣”。
04
“眼見為實”
大量的觀測數(shù)據(jù)表明，上述并合過程確實發(fā)生在了旋渦星系之間，而且那些經(jīng)歷了“鳳凰涅槃”的主并合遺跡，表現(xiàn)出了和普通橢圓星系一致的結(jié)構(gòu)特征。星系并合不但可以提高恒星形成的效率，還能夠“喚醒”休眠（不再活躍地吸收物質(zhì)）中的大質(zhì)量黑洞[1] [2] ，觸發(fā)活動星系核。
這些較為確切的觀測證據(jù)都集中在大質(zhì)量星系上，而矮星系并合的相關(guān)研究，進展則極為緩慢。造成這個現(xiàn)狀的原因至少有兩個方面。首先，正如哈勃序列所展示的，晚型矮星系本身往往具有不規(guī)則的形態(tài)，這給從形態(tài)來證認并合星系的常用做法帶來了挑戰(zhàn)。其次，普通矮星系的面密度較低，因而伴隨并合過程的潮汐子結(jié)構(gòu)也會更加暗弱，這進一步增加了證認并合事件的難度。
讀者可能會問，難道矮星系并合和大質(zhì)量星系并合會有很大的不同嗎 ? 答案是肯定的，很可能會有，因為矮星系不簡單是“微縮版”的大質(zhì)量星系。
首先，星系的金屬豐度和質(zhì)量之間是負相關(guān)的，而金屬豐度在氣體冷卻和恒星形成等方面扮演著重要而復(fù)雜的角色。其次，由于矮星系的自引力束縛弱，其氣體分布（因而恒星形成）更容易受到星風、超新星爆發(fā)等極端反饋過程的影響。最后，矮星系的氣體占比可以達到大質(zhì)量星系的數(shù)倍到幾十倍，由于氣體和恒星系統(tǒng)具有截然不同的熱力學性質(zhì)，這勢必會影響星系的演化軌跡。
05
矮星系并合能否“捏土成石”?
圖6：近期被證認的一個矮星系并合遺跡VCC848，深度光學圖像揭示了并合過程中留下的延展恒星殼層結(jié)構(gòu)（左圖紅色弧線所指示），圖片來源：Zhang et al. 2020a
回到“奇異”矮星系的“身世”問題上，星系并合在它們的形成中到底扮演了什么角色？科學家至今仍沒給出一個絕對的答案。筆者與合作團隊最近證認了一個富含氣體的矮星系并合遺跡，并首次比較清楚地“描繪”了矮星系并合事件是如何影響星系的恒星形成歷史和結(jié)構(gòu)演化的。
這個并合遺跡的恒星總質(zhì)量約為銀河系的2.5%。它現(xiàn)在的氣體和恒星質(zhì)量的比值約為3。如果考慮到并合期間被恒星形成所消耗掉的氣體，并合發(fā)生前的氣體和恒星質(zhì)量的比值約為6，這是銀河系相應(yīng)比值的近8倍。
暴露其并合起源的，是分布在遺跡東西兩側(cè)的恒星殼層潮汐結(jié)構(gòu)。這些幾乎對稱分布的殼層結(jié)構(gòu)，反映了前身星系是以接近正碰的角度相撞的。最外圍殼層結(jié)構(gòu)的面亮度低于暗夜天光亮度的千分之五！分析表明, 這個遺跡產(chǎn)生于對星系結(jié)構(gòu)“重塑”最徹底的主并合。[1] [2]
圖7：對VCC848形成的多體／流體動力學計算機模擬，圖中展示了恒星成分沿視線方向的面密度分布隨著星系并合的演化，圖片來源：張紅欣
對這個并合事件的計算機模擬表明，大約在14-15億年前，兩個星系以不到一百公里每秒的相對速度接近（如果速度太快，就只會擦肩而過而不發(fā)生并合），并發(fā)生了首次碰撞。此后，它們便“飛蛾撲火”般地在引力支配下反復(fù)對沖，直至被潮汐力徹底瓦解。
恒星形成方面，并合過程中的平均恒星形成率是并合前的7-10倍。這使得恒星總質(zhì)量在不到星系年齡10%的10億年里增加了約70%。這些新形成的恒星并不集中在遺跡的中心區(qū)域，而是分布在圍繞中心約五千光年的范圍內(nèi)。由于并合趨于尾聲，整個系統(tǒng)的恒星形成的強度已經(jīng)降到了普通矮不規(guī)則星系的水平。
結(jié)構(gòu)演化方面，并合遺跡的恒星面密度大體上以指數(shù)函數(shù)的形式，從內(nèi)向外下降，這表明其以盤結(jié)構(gòu)為主。此外，對氣體旋轉(zhuǎn)速度空間分布的分析表明，遺跡的中心質(zhì)量密度（包括重子物質(zhì)和暗物質(zhì)）和普通矮不規(guī)則星系相似，但遠低于典型的（藍）致密矮星系。
圖8：VCC848在星系中心“恒星面亮度—質(zhì)量密度”平面上的位置。實心五角星代表直接測量值，空心五角星代表做過傾角改正后的值。圖片來源：張紅欣
也就是說，雖然這個星系的中心面亮度符合對藍致密矮星系的定義，但從質(zhì)量分布上來看，它是一個正常的矮不規(guī)則星系。
在這個已經(jīng)趨于尾聲的并合事件里，低中心聚集度的矮星系沒有被“捏合”成致密星系。其中的主要原因還未完全搞清楚。除了上文提到的金屬豐度低和自引力束縛弱兩個方面，我們還意識了到以下可能：
氣體成分的占比遠高于恒星成分時，會導(dǎo)致兩個相互關(guān)聯(lián)的后果。一方面，由于具備“碰撞”和“輻射降溫”這兩個特質(zhì)，氣體成分會先于恒星成分建立起新的準平衡狀態(tài)，使整個系統(tǒng)的引力場很快趨于穩(wěn)定，而處于“從屬地位”的恒星成分則不能充分施展其“劇烈弛豫”的“本事”；另一方面，“微弱”的恒星成分在并合過程中不能提供強勁的引力扭矩，這可能會降低氣體轉(zhuǎn)移角動量和內(nèi)流的效率。
并合遺跡的形態(tài)特征，如中心聚集度和質(zhì)量面密度輪廓等，主要取決于前身星系之間的質(zhì)量比，而不在于碰撞的角度。因此，以上研究結(jié)果對于富含氣體的矮星系主并合具有一般性的啟示意義。當然，全面理解星系并合對矮星系演化的影響需要對較大的樣本開展類似的研究。
06
“奇異”矮星系的身世之謎
如果星系并合不能將低面密度矮星系“捏合”成高中心聚集度的星系，那就不排除“疏散支”上的一些矮橢圓星系曾經(jīng)歷了并合，而筆者團隊也確實在一些矮橢圓星系中發(fā)現(xiàn)了主并合留下的痕跡。因此，不能因為其疏散的“外表”而判定其形成模式一定不同于橢圓星系。
“疏散支”上的矮不規(guī)則星系和矮橢圓星系之間，在結(jié)構(gòu)上似乎沒有不可逾越的鴻溝。因此，環(huán)境因素，如沖壓剝離、潮汐擾動等，將矮不規(guī)則星系“改造”成矮橢圓星系是可能的。對于致密矮星系，環(huán)境因素可能在其形成過程中扮演了最重要的角色，但具體是哪些環(huán)境因素卻仍然是個謎。北京大學的杜敏等人最近提出了“沖壓約束”機制來解釋致密矮星系的形成。
宇宙的原初星系和矮不規(guī)則星系在質(zhì)量、氣體占比和金屬豐度等方面接近。因此，星系并合在星系形成的最初階段可能無法推動星系結(jié)構(gòu)的快速演化。
限于篇幅，本文聚焦在了星系并合的“作用機理”上，而沒有在宇宙學框架下去探討其在星系演化歷史中扮演的角色。值得一提的是，雖然旋渦星系的主并合可以形成橢圓星系，但近年來的研究表明，對于相當一部分的橢圓星系，主并合可能只在其形成之初扮演了重要角色。在不同的宇宙時期，星系自身的性質(zhì)和所處的環(huán)境不同，推動其演化的主要機制也會不同。
作者簡介
張紅欣
中國科學技術(shù)大學天文學系特任研究員。主要研究興趣為星系的形成與演化。
