宇宙中的黑暗星系

張唯誠

星系團中的“隱士”

星系是恒星龐大的“社區”，是億萬恒星的家，但它們并非都閃爍著星光，有些是暗淡無光的。和我們熟悉的明亮星系不同，這些暗淡的星系沒有明亮的核心，沒有環繞核心的由恒星和氣體組成的宏偉旋臂，也不是散發著輻射的密集星群。它們的星光微弱異常，僅僅照亮一些模糊的團塊，是星系團中謙遜的“隱士”。加拿大多倫多大學的天體物理學家羅伯特·亞伯拉罕說：“假如你抓住銀河系，將其中99%的恒星扔掉，那你就得到了一個黑暗星系。”

人們目前并不清楚黑暗星系是怎么來的。它們可能是一類全新的星系，也可能是普通星系的一種異端。不管何種情況，它們好像無處不在。天文學家首次報道它們是2015年的早些時候，之后不久，人們就在距我們不遠的星系團中發現了更多。亞伯拉罕說：“我們的發現從一無所獲迅速越過了1000，這是非同尋常的。”

新發現的黑暗星系給人們帶來了很多疑惑。有些星系和銀河系差不多大，按理說制造很多恒星是沒有問題的，它們應該很明亮，但事實上暗淡無光。迄今，對于這種星系，天文學家還未弄清楚它們的質量，也許它們是一些“失敗”的星系，即使它們的質量和銀河系一樣，一些尚不明了的因素也可能阻礙它們形成恒星的“居住地”。還有一種可能是，盡管它們看上去和銀河系一樣大，卻既“輕”又“薄”，如果它們結合得不夠緊密，便無法獲得那種極端的熱度以形成足夠多的恒星。

不管怎么說，黑暗星系中的恒星非常少，它們應該有很多我們看不見的物質，否則鄰近星系的引力就會將它們撕裂。

“蜻蜓”大顯身手

為了發現黑暗星系，人們使用了新型的望遠鏡。普通的望遠鏡通常是越大越好，一個很大的反射鏡或者透鏡能發現足夠微弱的光斑。然而，即使是最大的望遠鏡也有局限，因為無法濾掉不需要的光。望遠鏡上的每個表面都產生光，它們來自各個方向并反射到影像上。這種散射光是一些暗淡的光點，它們幽靈一般地掩蓋掉一些原本就模糊的細節，有些甚至看起來很像模糊的星系。龐大的黑暗星系就和這種光點很相似，這也正是人們一直沒有注意到它們的原因，直到人們使用一種新型的望遠鏡掃描天空。

人們把這種望遠鏡稱為“蜻蜓”，它獨特的設計能對付那些幽靈般的光點。和多數光學望遠鏡不同，這種望遠鏡像一個蜂巢。2013年，這個裝置只有三個光學長焦鏡頭，每個都安裝在照相機上。然而，這個裝置一直在“成長”，現在，它已是擁有48個透鏡和照相機的組合了。它們可以同時觀測天空的同一個部分，透鏡上工藝精湛的抗反射涂料把散射光控制到最小。假如同一種斑點顯示在每一個照相機拍攝的影像上，那就可以肯定它是真實的，也就是說，它不是散射光造成的虛假影像。

由于設計這個裝置的靈感部分來自蜻蜓的復眼，人們便叫它“蜻蜓”。“這是一個非常聰明的想法，真是妙極了。”美國石溪大學的天文學家幸田仁說，“‘蜻蜓使我們意識到，我們擁有了一個發現一些全新的星系的機會，它們是此前從未被人知道的。”

后發座星系團

2014年春，科學家將“蜻蜓”指向了后發座星系團，這是一個被充分研究過的星系團，擁有幾千個星系，位于大約3.4億光年之外。后發座星系團相當緊湊，其中眾多的星系為天文學家提供了探索宇宙奧秘的理想場所。人們在那里研究遙遠的恒星和其他星際物質，這有助于人們獲得星系合并后天體演化的一些證據。

不久，在后發座星系團的邊緣，人們發現了不少令人驚訝的全新的星系。亞伯拉罕說：“人們研究后發座已經有80年的歷史了，但想不到還能發現全新的東西。”是的，那是一些黑暗星系，散布在星系團中，共有47個，有些和我們的銀河系一般大。

令人不解的是，如此大的星系卻沒有制造出眾多的恒星；更令人驚訝的是，這種星系竟能“生活”在一大群星系世界的“巨無霸”中。

在一個星系中，星系的引力是將星系中所有恒星聚在一起的力量，來自鄰近星系的引力則總是企圖將星系拆分開。因此，一個星系要得到足夠大的引力使自己不至于解體，它就必須擁有足夠的質量，這種質量的存在是依賴恒星、氣體以及其他星際物質的存在而實現的。

在宇宙中的某些地方，例如后發座星系團，一個星系必須擁有很大的質量或者密度。然而，黑暗星系中的恒星太少了，假如這種星系占有的空間太大，那么它們應該在很早以前就被鄰近星系的引力摧毀了。因此，天文學家認為，這些星系可能是新近才進入后發座星系團的。另外一種可能是，它們已發展得非常強壯了。

發現了更多

然而，目前的研究顯示，后發座星系團中的黑暗星系好像已經在那里存在了幾十億年，它們出現在星系團中的廣闊區域，這表明它們經過了漫長時間的流散并逐漸融合在了這個古老的星系團中。而且，在黑暗星系中存在的僅有的恒星大多是紅色和低溫的，這種低能量的光線表明它們很古老。因此，對這些星系來說，要想存在這么長的時間，就必須擁有某種隱藏的力量，這個力量很可能就是大量暗物質。

其實，所有星系都擁有很多暗物質。平均來說，宇宙中的暗物質大約占了所有物質的85%。然而，根據美國耶魯大學的天文學家皮特·馮·多庫姆及其同事的估計，在后發座星系團中，黑暗星系要想擁有足夠的引力保持其完整，它們中心區域的暗物質必須占所有物質的98%。

由于發現黑暗星系的技術有了突破，科學家現在更熱衷于搜尋這種奇特的天體了，他們開始仔細研究后發座星系團和其他星系團的影像。黑暗星系非常暗淡，很容易隱藏在星系團的背景光中，有時又會被當作望遠鏡的散射光。然而，一旦人們知道了如何去發現它，就不會再失望了。人們這時才知道，此前發現的47個黑暗星系其實只是冰山的一角。

2015年6月，美國石溪大學斯托尼布魯克分校幸田仁的研究小組在由昴星團望遠鏡拍攝的圖像中很容易地找到了此前發現的47個黑暗星系，這證明它們是真實存在的。更令人驚喜的是，除此之外，他們還發現了更多黑暗星系。

科學家一共找到了854個黑暗星系，其中的332個有銀河系那么大。進一步的估計表明，在后發座星系團中，各種不同大小的黑暗星系超過1000個。假如這個估計是正確的，那么這個數量就和已知的明亮星系不相上下了。

后發座星系團之外

然而，后發座星系團并不是唯一隱藏著黑暗星系的星系團，人們還在室女座星系團中發現了三個黑暗星系。2015年8月，美國凱斯西儲大學的天文學家克里斯托夫·米霍斯及其同事報道了這個發現。這些星系位于5400萬光年之外。

2016年6月，法國薩克雷核研究中心的天體物理學家雷可·范德伯格及其同事報道了另一個意外的發現。他們使用位于夏威夷莫納克亞山上的一架望遠鏡去估算幾個星系團的質量。他們共觀測了8個星系團（這些星系團處在10億光年之內），結果意外發現了大約800多個超稀薄的黑暗星系。西班牙天體物理學家邁克爾·比斯利說：“當我們使用了更大的望遠鏡后，我們發現了更多的黑暗星系。我們不知道究竟有多少，但我們知道那里的黑暗星系非常非常多。”他認為，那里的黑暗星系可能比正常星系還要多。

黑暗星系究竟是什么，它們是如何形成的，這在目前還沒有答案，多數科學家只知道它們有多大和多亮。迄今，只有三個黑暗星系的質量得到了測量，其中兩個的質量和銀河系周圍的小星系相似，只有千分之一的質量來自恒星，其余都來自暗物質。第三個星系叫“蜻蜓44”，是一個大型黑暗星系，它的重量和整個銀河系相當，幾乎全是暗物質。

有關形成的兩種推測

黑暗星系的形成可能應該歸咎于它們所處的環境。一個星系團，例如后發座星系團，是通過吸引附近的星系而成長起來的。星系團中彌漫著熾熱的電離氣體，當星系進入星系團時，它們要穿越這種氣體，這個過程會將星系中的一些氣體剝離。但星系需要氣體來形成恒星，一旦那些氣體和塵埃因恒星自身的引力發生坍塌，就會變成一個發生著熱核反應的“熔爐”，這就是恒星。

然而，當一個星系進入星系團并開始制造恒星時，那種由電離氣體形成的“逆風”有可能吹掉大多星系中的氣體，導致很多恒星無法形成，這個星系就有可能變成黑暗星系了。

上述描述是黑暗星系形成的一種推測。另一種推測是由馬克斯·普朗克天體物理學研究所的科學家尼古拉·阿莫羅索和哈佛史密森天體物理中心的科學家亞伯拉罕·洛布提出的。這兩位科學家描述說，所有的星系都是旋轉的，但黑暗星系也許旋轉得更快，這導致其中的恒星和氣體被甩得很遠，從而將物質散布得很開，最后形成了比那些能制造恒星的星系黑暗得多的模糊的一團，也就是黑暗星系。這兩位科學家將他們的這個理論發表在了2016年3月的《皇家天文學會月刊》上。

探秘之旅任重道遠

為了驗證這些理論，天文學家需要獲得兩項關鍵信息，即星系的質量和它們所處的位置。質量能幫助人們了解星系誕生的過程，位置能讓他們知道黑暗星系是否和巨大的星系團是完全不同的。在這方面，人們也做了一些研究。2016年8月，耶魯大學的天文學家艾莉森·梅利特及其同事發現4個黑暗星系潛藏在一個8000萬光年之外的小星系團中，這似乎表明后發座星系團這類大型星系團并不是黑暗星系僅有的“容身之地”。另外，范德伯格也研究了8個星系團，并發現不

論星系團的質量如何，作為星系團一部分的黑暗星系在整體的表現上和其他所有星系是一樣的。

宇宙中的黑暗星系到底有多少？它們都隱藏在什么地方？雷可·范德伯格說，“在這件事情上，問題總是比答案多”。黑暗星系也許暗示著關于星系形成的解釋需要新的理論，也許只是星系形態中僅有的一種，也許受制于時間、位置、運氣的相互作用。這些因素使一部分星系擁有光明的未來，另一些則隱退到了暗淡的背景中。也許它們是一種混合體，其最后的結局取決于發生

在不同環境中的不同過程。不管是什么情況，對天文學家來說，黑暗星系都是極具誘惑力的，他們無法抗拒這種誘惑。隨著發現的增多，他們尋找答案的欲望也越來越強，因為他們知道，破解黑暗星系的秘密是極具價值的，可以幫助人們更好地了解宇宙中的諸多秘密，尤其是宇宙中所有星系的形成和演化之謎。當然，其中也包括我們的銀河系。