構建星系團需要很長時間,星系團和星系群是一回事兒嗎?

2020-12-03 悟空科學

宇宙中存在著一種最大的重力束縛物,它叫做星系團。而它的組成也如這個名號一樣不簡單,主要涵蓋了三個部分:首先是數以百計的星系,包含恆星、氣體和塵埃;其次是光學望遠鏡看不見的巨大的熱氣體雲,一般在 30到100億攝氏度;然後是暗物質,這是一種神秘的物質形式,迄今為止,科學家們還沒有用任何類型的望遠鏡直接探測到,但可以通過它對星系和熱氣體的引力來感受它。那麼,一個星系團的構建大約需要多久的時間,它和星系群之間又有什麼區別?

如何驗證星系團的組成物質

在弄清星系團的組成之前,科學家們發現星系團形成之後的質量,與該空間中可探測到的物體質量之和並不對等:炎熱的氣體填滿了星系之間的空間、並包圍著星系,儘管星系和熱氣雲非常龐大,但它所包含的質量,比星團中的所有星系加起來都還要多。並且,科學家們已經確定,將一個星團聚集在一起,至少需要大約10倍的質量。也就是說,宇宙中還必須存在某種物質,以提供額外所需的重力,即暗物質。

天文科學家們認為,星系團形成暗物質團塊,它們相關的星系會通過引力被拉到一起,然後形成了數十個星系群,這些星系又合併形成數百、甚至數千個星系的星團。當星團形成時,星系團中的氣體被加熱。而這種加熱可能是一個劇烈的過程,因為包圍星系群的氣體雲團相互碰撞,並合併成為數十億年的星團。並且,錢德拉圖像提供了這些大型合併的戲劇性證據,觀察到了數百萬光年的宇宙「天氣系統」,相對涼爽的5000萬攝氏度的天然氣體雲落入到了更大更熱的雲中。

構建星系團需要多長的時間

事實上,許多星系團都是明亮的X射線源,是由強引力勢阱束縛住的高溫氣體所發出。而在不同星系團中,各種類型的星系所佔的比例又很不一樣,那麼星系團的構建需要多少時間?這個問題的答案可以這樣簡單概括,構建星系團其實需要很長的時間過程。至於這個時間究竟有多長,則需要取決於諸多細節,比如,宇宙中的暗物質量,這些暗物質的屬性是熱、還是冷,當時的宇宙膨脹速度又是多快等。星系團中的物質,熱氣體中的壓力是對黑暗量的準確探測。

科學家們正是通過利用這些信息和X射線調查,以計算宇宙中存在的大型星團的數量,天文科學家還可以藉此測試宇宙內容和演化的各種理論。而在眾多的宇宙探索任務中,錢德拉對星系團中熱氣雲的觀測,將為宇宙的最初起源、演化過程和最終命運提供其他重要線索。科學家們可以通過結合X射線和微波觀測來測量聚集氣體的影響,因為它散射宇宙微波背景,並從宇宙深處流過星團。而過程中的散射量使得估計到群集的距離成為可能,這些信息可用於推斷宇宙的大小和年齡。

星系團中巨大隱藏氣體的命運

在星系團的探索中,還有另一個有趣的問題,它是星系團中隱藏巨大氣體的最終命運。在星系團的團簇中,所有氣體和暗物質的擠壓,將團簇中心的粒子推向一起。這導致了它們更頻繁地碰撞,並慢慢地將其能量損失到輻射,例如,那些緩慢洩漏氣體的輪胎。在十億年左右的時間裡,這種輻射洩漏將造成極大的損失,如果沒有能源來及時彌補損失,那麼氣體將會冷卻、並緩慢地沉澱,而後在所謂的冷卻流中,到達中心的大質量星系集群。科學家們也通過早期的X射線觀測表明,在許多星團的中心,該過程中冷卻的發生速度,可以每年形成數百顆新恆星或冷氣雲。

在天文學科家們尋找這個足夠酷的物質的歷程中,雖然他們發現了一些,但這還不夠。錢德拉和XMM牛頓X射線天文臺對星系團的新觀測,以及無線電觀測便可能指出了這個問題的解決方案。通過分析表明,在許多情況下,冷卻氣體的流入似乎都被磁場的作用力所偏轉,並且,還可能受到來自中央星系核心附近的超大質量黑洞爆炸所帶來的加熱。而在接下來的幾年時間裡,這種暴力活動是否會解釋冷氣短缺,科學家們應該將會讓這個問題的答案變得更加清晰。

星系團和星系群之間有何區別

星系團可以按形態大致分為兩類,它們分別是不規則星系團和規則星系團。其中的不規則星系團有一個別名,叫做疏散星系團。這種類型的星系團結構相對鬆散,不具有一定的外觀形態,更沒有明顯的中央星系集中區;而以后髮星系團為代表的規則星系團,則通常情況下都具有大致球對稱的外觀,並且,它往往還有一個星系高度密集的中心區,有點像恆星世界中的球狀星團。就星系團的運動特徵而言,距離越遠意味著視向速度越大,一個星系團內的不同星系成員之間的相對運動情況,能夠通過速度彌散度來表示。並且,速度彌散度還會隨著星系團範圍的擴大和成員數的增加而變得更大。

通常情況下,宇宙中的星系一般都不會單獨存在,而是具有成團的傾向。它們不僅是一個獨立的系統,也是一個星系團中的一員。就星系團和星系群的區別而言,我們可以簡單粗暴的這樣來概括,當其成員數量超過100的時候,它是星系團;當其中的成員數量低於100的時候,則將其稱為星系群。比如,我們的銀河系就是一個本星系群,因為這個群集裡的數量大約只有40多個,而這個群集又是以銀河係為中心。簡而言之,星系團和星系群之間並沒有本質上的區別,差別只是在其數量和規模上,但都是以相互的引力關係而聚集到了一起。

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