我們的銀河系盤面是彎曲的？扭曲結構或改寫我們對宇宙的認知

科學家們是時候坦白了,其實他們對你撒了個小謊,經常說銀河系擁有一個扁平的盤面,我們在多篇論文裏都這樣描述過,但嚴格來說,它並不真正平,甚至連寬鬆定義下的平都算不上。 當然,這並非真正意義上的欺騙,而是一種科學上的簡化。 面對複雜結構時,先建立一個儘可能簡單的模型,有助於推演物理與數學規律,正如我們在基礎計算中先將地球視爲完美球體,或假設太陽系質量幾乎全部集中在太陽中,之後再逐步加入更真實的複雜性,使問題仍保持可解。 從地球上用肉眼觀察,銀河在夜空中確實像一道平直的光帶,許多類似的星系看起來也同樣扁平,但在嚴謹測量下,它們中的許多,也許大多數都並非平整,而是彎曲、波動甚至扭動的。 先簡單回顧一下,銀河系被歸類爲盤狀星系,直徑約十二萬光年,由恆星、氣體與塵埃構成,厚度僅幾千光年,扁平因此算得上勉強貼切。 中心是膨脹的核球結構,而整個星系又嵌在一個直徑約百萬光年的恆星與暗物質雲之中,這個外層結構非常關鍵。 天文學家早就知道,銀河系外側的盤面是彎曲的,一側翹起,另一側下沉,類似冒煙的弧度。 2019年發表在Science上的研究進一步細化了這種扭曲。 研究團隊利用現已退役的該衛星的數據,它測量了逾十億顆恆星的位置、速度和距離。 他們特別分析了約2400顆造福扁星,這類恆星會週期性脈動,其亮度變化週期與其本徵光度有嚴格關係。 通過比較本徵光度與觀測亮度,就能精確求出距離。 繪製出大量造福扁星在銀河盤中的三維分佈後,銀河盤的整體形狀躍然呈現,盤面如同一張被太陽曬灣的黑膠唱片。 是什麼造成這種扭曲?一種解釋是銀河層與小星系碰撞,重力擾動向池塘被投石後的漣漪。 但2023年發表在《Nature, Astronomy》的一項研究提出了另一種原因,暗物質。 我們所在的銀河系比我們想象的還要扭曲。 天文學家繪製了銀河系盤面的三維地圖,揭示出它並非平坦,而是扭曲的。 爲了繪製這張地圖,天文學家觀測了銀河系中明亮且脈動的恆星造福扁星。 這些恆星的亮度是太陽的一萬倍,因此即使在銀河系各處,甚至穿過星際氣體和塵埃雲,我們也能觀測到它們。 至關重要的是,造福扁星是標準燭光,它們的亮度變化速率與其固有亮度成正比。 天文學家可以將它們的真實亮度與從地球觀測到的適亮度結合起來,計算出它們的距離。 天文學家利用位於智利拉斯坎帕納斯天文臺的一臺1.3米望遠鏡,監測了超過2400顆恆星的穩定脈動,並在銀河系的三維模型上精確定位了它們的位置。 銀河系嵌在一個由恆星與暗物質組成的巨大運結構中。 更早的研究顯示,這個恆星運並非球形,而是輕微拉長且扁平,形狀類似變形的橄欖球,並且相對銀河盤面有一定傾斜。 研究者推測,不可見的暗物質運可能具有相同形狀。 如果暗物質運既扁平又傾斜,它所施加的非對稱引力場可以自然產生盤面的扭曲,不僅能解釋彎曲程度,也能解釋其方向。 雖然這並非最終定論,但該模型具有相當說服力。 然而,銀河盤的故事不止於此。 最新研究顯示,銀河盤還呈現出波紋結構。 今年,另一支團隊利用高優數據分析了1.7萬顆年輕恆星以及3400顆造父變星,覆蓋數萬光年的區域。 他們發現,無論在主盤還是外盤的扭曲部分,都存在明顯的上下波動,類似厚紙板中的瓦棱結構。 這種波動就像體育場觀衆坐的人浪,在銀河中,恆星相對於盤面上下起伏。 由於這些恆星大多年輕,說明氣體、恆星的誕生地也隨之上下襬動。 這意味着波紋始盤結構內在的一部分。 這一波動的成因尚不明確,但最可能的觸發事件同樣是小星系的穿越。 其中最受懷疑的就是人馬座埃陀球星系,它質量只有銀河系的極小一部分, 卻以近乎垂直的軌道繞銀河運行,不斷穿過盤面。 2018年發表在MATTER的一項研究顯示,在距離太陽約1萬光年的區域內, 600萬顆恆星也表現出類似的波動。 這些波動可能是人馬座埃星系上一次穿越盤面,數億年前所引發的。 太陽也參與了這種上下襬動。 精確測量顯示,太陽相對於銀河盤有垂直速度, 意味着太陽系在圍繞銀河中心運行時會上下顫動, 週期性穿過盤面,離開盤面,再被重力拉回, 這可能正是大尺度波紋的一部分。 所以,當我之前稱銀河盤是扁平的時候, 我並非撒謊,而是在討論整體結構時略過了不必要的複雜性。 但這些複雜細節十分重要, 它們記錄了銀河系的演化歷史, 也揭示了太陽系如何隨之起舞。 那麼,是什麼導致了銀河系的扭曲呢? 科學家提出了多種可能的解釋, 其中最常見的是與其他星系的相互作用。 銀河系並不是一個孤立的星系, 它與周圍的其他星系組成了一個叫做本星系群的集團。 在本星系群中, 最大的兩個星系是銀河系和仙女座星系, 它們之間相距約250萬光年, 正在以每秒120公里的速度相互靠近。 除此之外,銀河系還有兩個較小但較近的衛星星系, 大麥哲倫雲和小麥哲倫雲, 它們之間相距約16萬光年, 距離銀河系約20萬光年。 暗物質是一種看不見也感覺不到的物質, 但它佔據了宇宙中大部分的物質。 暗物質運是一種由暗物質構成的球形結構, 它包圍着星系,併爲星系提供了引力支撐。 LMC在穿過暗物質運時, 會對銀河系產生巨大的引力牽引, 從而導致銀河系盤面發生扭曲。 科學家認爲, 這些星系之間可能存在着引力潮汐作用, 極較大的星系對較小的星系產生不均勻的引力, 導致後者發生形變或者失去部分物質。 這種潮汐作用可能會影響到銀河系中恆星、 氣體和暗物質的分佈和運動, 從而造成銀河盤面的扭曲和張開。 然而,這種解釋並不能完全符合觀測到的數據, 因爲它需要假設銀河系中暗物質和可見物質 是同步運動和分佈的。 爲了尋找更好的解釋, 一些科學家轉向了計算機模擬來重建銀河系的演化歷史。 他們使用了歐洲空間距的蓋亞號太空船提供的數據, 來繪製出銀河系大約20億顆恆星的位置和運動。 通過仔細分析蓋亞號的數據, 他們發現在暗物質運中懸浮的恆星有着奇怪的不平衡。 這表明暗物質運本身可能也是傾斜和扭曲的。 爲了看看一個傾斜和扭曲的暗物質運對銀河盤面意味着什麼, 研究人員使用了一個計算機模型來重建一個年輕的類似銀河系的星系。 其暗物質運相對於其盤面傾斜了25步。 在模擬該星系51年後,研究人員發現, 他們創造了一個非常類似於我們自己的星系。 那麼,是什麼導致了暗物質運的傾斜和扭曲呢? 研究人員認爲,這很可能是一次巨大的碰撞造成的, 可能是另一個星系飛入我們自己的星系。 這次碰撞可能導致暗物質運向上傾斜了多達50度, 然後慢慢地擺動到目前的20度角高度。 我們認爲,這種傾斜是由於銀河系在其演化過程中經歷了一個重大事件, 例如與另一個星系或暗物質亞結構的碰撞或合併。 這種碰撞或合併可能發生在幾十億年前, 當時銀河系還處於形成階段, 它可能改變了暗物質運中不同區域的密度和速度分佈, 從而使其失去平衡。 隨着時間的推移,暗物質運逐漸恢復了一定程度的對稱性, 但仍然保留了一些傾斜和扭曲的痕跡。 這些痕跡通過暗物質對可見物質的引力作用, 反映在銀河盤面上。 我們認爲,銀河系盤面的扭曲和張開是由於暗物質運對盤面施加了一個不均勻的引力力矩。 研究人員在研究中寫道, 這種力矩使得銀河盤面產生了一個週期性的擺動運動, 就像一個被拉伸或壓縮的彈簧一樣。 這種運動可以解釋爲什麼銀河系邊緣有些地區向下彎曲, 而有些地區向上翹起。 根據模擬結果,銀河盤面每隔幾億年就會完成一個擺動週期。 我們預測,在未來幾億年內,銀河系盤面將繼續以相同的方向和幅度扭曲和張開。 這項研究爲我們理解銀河系的形成和演化提供了新的視角。 它表明,暗物質不僅是銀河系運動和結構的主要驅動力, 也是其多樣性和複雜性的重要來源。 通過觀測和模擬暗物質運動中發生的各種現象, 我們可以揭示出銀河系隱藏在表面下的祕密。