宇宙到底有多大(五)離我們最近的十萬個星系與本超星系團

銀河系位於一個叫做本星系群的星系集群的中心。而這個展幅在1千萬光年左右的星系群位於另一個體型更大的星系集群——（本）室女超星系團的邊緣。

在18和19世紀，英國天文學家、同時也是父子拍檔——威廉·赫歇爾和約翰·赫歇爾用望遠鏡對全天進行了觀測，收集到一些他們稱之為「星雲」的天體。不過，他們口中的「星雲」與我們今天所理解的星雲不完全相同。他們只是用這個詞去指代一些看上去模糊不清，卻又不是彗星的天體。而且，他們相信這些「星雲」都是銀河系內的天體。

在他們1864年編制的星表中，約翰注意到許多星雲都聚集在室女座周圍。（其實，法國天文學家查爾斯·梅西耶早在一個世紀前就已經注意到了。）沒有人知道這是為什麼。

1920年的「世紀大辯論」試圖揭開星雲之謎。這些天體究竟是鄰近的雲霧狀天體，還是由於距離遠而無法看清楚的遙遠星系?天文學家哈羅·沙普利和希伯·柯蒂斯為此展開了辯論。最終，後一種解釋勝出。但是，為什麼這些星系大多圍繞在室女座周圍呢？這是純屬巧合，還是另有原因?

到了20世紀50年代，法國天文學家Gerard de Vaucouleurs觀察了這些星系的運動情況。令人感到奇怪的是，它們似乎正以同樣的速度遠離我們而去。和與我們的距離相比，它們似乎離彼此更近。按照天文學的說法，它們之間有「動力學關聯」。1953年，Gerard de Vaucouleurs把這群星系命名為本超星系（Local Supergalaxy）。五年後，他又把名字更改為本超星系團（Local Supercluster）。

室女座超星系團是由較小的星系群和較大的星系團聚集形成的一個體型龐大的集合體。它的中心位於室女座星系團，其範圍從中心一直延伸到5千萬光年之外。上面的示意圖以本星系群為中心，展示了所有至少擁有三個比較大的星系成員的星系群。圖中球體的大小反映了星系群（團）的成員數目。距離的單位是光年。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

隨著望遠鏡的能力日漸強大，天文學家能夠展開更大規模的巡天觀測，記錄更多的星系及其運動情況。這些信息為我們拼出一幅更大的圖景：星系們聚集在一個盤形區域中。銀河系的恆星大多分布在一個薄薄的中央盤面上，本超星系團裡的絕大多數星系成員也是如此。科學研究告訴我們——恆星匯聚形成星系，星系聚集在一起形成星系團，星系團進一步結團形成超星系團。而本超星系團的中心就位於室女座方向。

如果把一千個銀河系首尾相接，其總長度將會是1億光年——這正是本超星系團的尺寸。其中，三分之二的明亮星系分布在靠近中央的盤狀區域內，剩下的三分之一則像銀河系周圍的球狀星團那樣，環繞在周圍。本超星系團的總質量高達1千萬億（10的18次方）倍太陽質量。然而，大部分質量都不發光。暗物質在主宰宇宙的同時，也同樣遍布在超星系團內各處。不過，從宇宙的角度看，在我們附近還是有不少發光的天體的。

認識鄰居

距離我們最近的——大約1100萬光年遠——是馬費伊（Maffei ）I和馬費伊II星系群。雖然它們就在附近，但卻正好位於銀盤後面，銀河系內的物質遮擋了它們發出的光，所以，直到1968年人們才注意到它們倆。義大利天文學家保羅·馬費伊（Paolo Maffei）在觀測IC1805（一個名副其實的星雲）時，發現了一些奇怪的東西。他在紅外波段看見不遠處有一個發光天體。他猜測那是一個被銀河系擋住的星系。在過去二十年裡，天文學家已經發現了超過17個這樣的星系。

馬費伊I和馬費伊II星系是距離我們最近的兩個星系群的中心。由於銀河系內的物質在可見光波段遮擋住了它們倆，上面這幅紅外圖像揭示出它們的所在。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/WISE TEAM）

再往遠處走100萬光年，輕而易舉就能辨認出玉夫星系群了。從2011年至2013年，以澳大利亞射電天文學國際研究中心（International Centre for Radio Astronomy Research）的Tobias Westmeier為首的一群天文學家們，對富氫星系NGC55和NGC300內高速雲（high-velocity clouds，簡稱HVCs）的運動情況展開研究。HVCs沒有和宿主星系一同旋轉，而是像飛彈一樣，從外面徑直流入星系內部。天文學家認為，當星系耗儘自己的氣體儲備時，這些雲團就會為星系提供原料，使之形成更多恆星。但這些雲團又是從哪裡來的呢?

NGC300位於玉夫座星系群內靠近我們的那一端。玉夫座星系群與我們相距1200萬光年。NGC300看上去幾乎與滿月一般大小。（圖片來源：ESO）

對此問題，當時主要有兩種解釋。Westmeier想知道哪一個是正確的。其中一種解釋是，HVCs本是星系內的氣體團塊，後來被超新星爆發給噴了出來；另一種解釋是它們來自於暗物質主導的矮星系，而且從未形成過恆星。「天蠍座星系群離我們較近，因此是最合適的研究對象，」 Westmeier說，「我們有足夠高的解析度和靈敏度去探測潛在的HVCs。」

他們在NGC55的周圍發現了預期的衛星星系，但在NGC300附近卻一個也沒找到。這個發現自然而然地排除了「暗物質主導的矮星系」理論，因為，兩個大小相差無幾的星系理應擁有數目相近的衛星星系。那麼，這說明HVCs源於流入或者流出星系的氣體流。這種情況發生在大星系吞噬小星系或者有恆星形成的時候。

儘管如此，在這項研究中，最令人驚奇的發現是大星系的氣體盤是搖晃不定的。在衝壓的作用下，氣體盤在運動的同時，還左右搖晃。只有當星系猛地撞擊緻密的星系際介質時，才可能發生這樣的情況。天文學家知道星系團被緻密的物質暈包裹著，但他們原先認為在體型較小的星系群周圍只有薄薄的物質暈。

壓力吹走氣體，意味著星系無法形成恆星——在小衛星星系裡，恆星形成甚至完全停止。「由於氣體是未來恆星形成所需的原料，失去氣體可能使生活在星系群中的矮星系停止形成恆星。」Westmeier說。

這個發現有助於解決「衛星星系缺失問題」。這個難題出現於15年前，當時，計算機數值模擬顯示，像銀河系這樣的星系應該擁有較多的矮衛星星系，其數目超過了我們實際觀測到的數目。

「這個差異表明，要麼數值模擬出錯了，要麼存在某種機制阻止了大部分的暗物質暈形成衛星星系，」Westmeier說。如果壓力把氣體剝掉，就像玉夫座星系群裡發生的那樣，那麼小星系就無法再形成恆星，這意味著衛星星系並沒有缺失，而是我們看不見它們。

不尋常的猜想

半人馬座A星系群與我們相距大約1200萬光年，與玉夫座星系群一樣遠。這個星系群的核心成員——半人馬座A是離我們最近的射電星系。這個龐然大物在大約5億年前吞食了一個旋渦星系。時至今日，它還沒有消化完，因此發射出強烈的射電波。我們可以把半人馬座A當作一個實際案例，來想像一下銀河系和仙女座星系在40億年後相撞的情景。

遠在1200萬光年之外的半人馬座A主宰著它所在的星系群。這個大質量星系在可見光和射電波段發出強烈的輻射。它之所以會發出強烈的射電輻射，可能與它在5億年前吞噬了一個伴星系有關。（圖片來源：ESO）

在同樣的距離處，還有一個更容易辨認的星系集合——M81星系群。它位於大熊座和鹿豹座的交界處，擁有一萬億倍太陽質量。目前已知它有34個星系成員，其中最出名的就是M81和M82。這兩個星系正在互相拉扯，促使M82變成了恆星製造工廠。M82的中心區域比銀心還要明亮一百倍，這是星系際空間裡的氫氣在引力的作用下落入星系中心所導致的。

M82住在一個以它的鄰居M81命名的星系群裡。這兩個星系正在互相拉扯，促使M82形成大量新恆星。（圖片來源：NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM(STScl/AURA)）

而這一切的幕後推手正是M81——它被冠以「該星系群中最大的星系」之名。它擁有完美的旋臂，在其中心還潛伏著有一個有7千萬倍太陽質量的超大質量黑洞。

南風車星系（M83）是半人馬座A星系群中第二明亮的成員。它距離我們大約1500萬光年遠，比群裡最明亮的成員半人馬座A還遠大約300萬光年。（圖片來源：NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScl/AURA)）

混亂的集體

與井然有序的M81星系群相比，獵犬座I星系群似乎有點混亂。它位於獵犬座和后髮座方向，距離我們1500萬光年遠，由大約20個星系成員松鬆散散地聚成一個團體。不是所有的成員都在穩定的軌道上運動，它們彼此之間的引力束縛似乎並不牢固。

讓我們再回到大熊座方向，繼續往遠處走幾百萬光年就會遇見另一個松松垮垮的團體——M101星系群。這個群體全靠其核心成員M101把其它成員束縛在一起。M101的性質與銀河系相似，群裡的絕大多數成員都只是它的衛星星系。M101的直徑為17萬光年，擁有緊密纏繞的旋臂和1千億倍太陽質量。

距離我們1800萬光年遠的旋渦星系M101是其所屬的星系群裡的核心成員。它正對著我們，展幅為17萬光年。（圖片來源：NASA/ESA/K. KUNTZ(JHU), ET AL./STScl）

再往西南方走不到20度，我們就會遇到獵犬座II星系群。它與我們相距3千萬光年，其最大、最出名的成員是M106。這個星系裡的水蒸氣發出微波脈衝，產生巨脈澤信號——類似雷射的、巨大的微波信號。天文學家利用環繞M106中心超大質量黑洞的水巨脈澤信號，直接測量它的距離。

在這個星系裡還有「標準燭光」——造父變星。由於它們的亮度變化是可以預測的，天文學家利用這一點來測量距離。這類恆星好似間斷電源控制的聖誕彩燈，有規律地變亮、變暗。其亮度的變化周期又透露出恆星自身的光度。再與觀測到的亮度比較，天文學家就能計算出它的距離。因此，M106裡的水巨脈澤源和造父變星能夠幫助天文學家校準宇宙距離標尺。

藉助水蒸氣的微波輻射，我們確定了M106的距離——3000萬光年。（NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM(STScl/AURA)/R. GENDLER (FOR HUBBLE HERITAGE TEAM)）

把它們整個串起來的環

M96星系群位於獅子座方向，離我們大約3600萬光年遠，擁有很多既大又明亮的星系成員——其中有12個成員的直徑超過3萬光年。2010年，它還幫助天文學家研究星系的形成，這多虧了一個環繞在其周圍的、展幅為65萬光年的冷氣體環。近30年來，沒人知道這個環是從哪裡來的，或者它到底是什麼。

後來，由法國裡昂天文臺的天文學家帶領的研究團隊決定揭開氣體環的奧秘。他們認為它可能是「原初氣體」——從未落入過其它星系，而且（以其目前的狀態）也無法形成恆星。天文學家認為要形成星系，需要有原初冷氣體落入其中。這些氣體就像營養豐富的食物一樣，滋養了星系早年的成長。但是，望遠鏡從未在正在成長中的星系的周圍發現古老的原子群。科學家認為獅子座環可能就是他們要找的。

但是，當他們把望遠鏡對準它時，卻發現它發射出明亮的可見光——就是年輕的大質量恆星發出的那種光。顯然，原初氣體不會形成這樣的恆星。因此，獅子座環又新添了一個待解之謎。

藉助計算機數值模擬，科學家發現這種環結構是一次大碰撞留下的疤痕。在十多億年前，位於星系群中心的橢圓星系NGC3384與外圍的旋渦星系M96撞到了一起。其中一個星系的氣體被吹跑，最終形成了這個氣體環。

最大的，也是最糟糕的

室女星系團是本超星系團中最大的星系聚集體，其中心距離我們約有5500萬光年遠。如其名所示，你可以在室女座的方向看到它。我們之前提到的那些星系群和星系團只有區區幾十個成員，而室女星系團卻擁有1300個甚至可能2000個成員。成員的質量總和高達1200萬億倍太陽質量，整個星系團的展幅為720萬光年。

在星系成員之間散落著一群星系際恆星——其質量總和佔星系團總質量的百分之十。那裡還有球狀星團，被從宿主星系身邊拽走的矮星系，以及至少一個恆星形成區。發出X射線的熾熱氣體瀰漫在星系際空間各處。

室女星系團的體型是如此龐大，以至於實際上可以再把它細分成幾個子團：室女A、室女B和室女C。室女A的質量是另兩個子團的質量的兩倍大，因此成了星系團的主宰者。這三個子團最終會併合成一個巨大的星系團。由於它們目前還未合為一體，天文學家懷疑室女星系團還很年輕，仍然在確立自己的身份。

居住在星系團中心——即室女A子團的中心——的是巨橢圓星系M87。在室女星系團中，像M87這樣明亮的星系比比皆是。它們實際上就是梅西耶和赫歇爾看到的集合體——這是宇宙中存在超星系團的第一個證據。梅西耶天體中有15個都出自這裡。不少成員僅用業餘天文望遠鏡（無需多高端的配置）就能看到——例如M84、M86、M87、草帽星系（M104）和黑眼睛星系（M64）

巨大的室女星系團擁有上千個星系成員。出現在圖中心區域下方的就是星系團中質量最大的成員M87。（圖片來源：TERRY HANCOCK）

在室女星系團中，有不少星系與地球的距離幾乎相同，因此，天文學家便把它當作研究星系演化的天然實驗室。外星訪客通過觀察體育館裡形形色色的人（而非單一家庭），可以增進對人類演化的了解，天文學家也是如此。他們通過研究室女星系團裡的一大批星系，獲取更多有關星系的知識。

最近，他們對恆星的形成有了新認識——確切地說，恆星形成並非如許多人預期的那樣，是一個快速的過程。2014年，一項研究發現室女星系團中心的湍流——就是使飛機晃動的那種氣流——搖晃形成恆星的氣體，使其在長達幾十億年的時間裡都無法冷卻。湍流的製造者就是隱居在星系中心、並且噴發出能量強勁的噴流的活躍黑洞。這些湍流使氣體無法穩定下來形成恆星。

「這些慢速氣流足以阻止氣體迅速冷卻形成恆星，」這項研究的領頭人、加州帕羅奧託市史丹福大學的Irina Zhuravleva說。理解星系和星系團中心的恆星形成為什麼停止，有助於天文學家理解這些星系和星系團的演化過程，以及我們銀河系和本星系群未來的命運。

魚和熊

再往遠處走，走到5900萬光年遠處就是劍魚座星系群。它位於南半球的劍魚座（這種魚在餐館的菜單上一般叫做鯕鰍）方向，擁有70名成員。其中最有名的非NGC1483莫屬。這個星系有高亮度的中心核球和蓬鬆的旋臂，旋臂上點綴著明亮的恆星形成區和年輕的星團。

大約同一距離處，但是在大熊座方向，兩個星系群體聚集成團。其主要成員大都是旋渦星系，它們與其它一些小星系發出的光，相當於室女星系團總光度的百分之三十。這個數字聽上去可能沒多大，但是，大熊座星系群的質量僅有室女星系團總質量的百分之五。

32個星系聚在一起，結成大熊座北星系群，其成員包括明亮的旋渦星系NGC3631、NGC4088、NGC3953和M109。M109與銀河系十分相似。在梅西耶星表列出的109個天體裡，數它離我們最遠。這意味著用18世紀製造的望遠鏡無法看到比它更遠的天體了。不過，今天在地面上和空間中工作的大型望遠鏡已經能讓我們瞥見幾十億光年遠的星系了。

移動的研究對象

要把這些星系進行分類可沒那麼容易。它們相對於我們的朝向各不相同，而且從正向看和從側向看一個旋渦星系，會得到很不一樣的印象。我們只有星系的平面投影信息，卻沒有它們的三維立體影像。對盤狀星系（如旋渦星系和橢球星系）來說，問題尤其嚴重。儘管如此，我們還是可以通過觀察星系裡恆星的運動情況來辨別星系的形狀。如果恆星旋轉得既緩慢又無序，就是橢球星系。如果恆星有規律地快速旋轉，那就是盤星系。

在澳大利亞雪梨大學的Nicholas Scott的帶領下，一個天文學家團隊對6200萬光年遠處的天爐座I星系團內的恆星運動展開了研究。他們發現星系團裡有93%的星系都是快速旋轉者（旋渦星系），只有7%是慢速旋轉者（橢球星系）。把這項研究與其它星系團（包括室女超星系團裡更大的星系團）的研究結果結合起來看，Scott的團隊發現橢球星系傾向於分布在星系團的中心區域——它們要麼出生在那裡，要麼是後來才遷移過去的。

距離我們6200萬光年遠的天爐座I星系群是本超星系團裡最遙遠的成員之一。圖中還可見到星系NGC1427A。（圖片來源：NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM(STScl/AURA)）

「一個爭論了很長時間的問題是，星系演化究竟是先天的，還是後天的，」Scott說。星系之所以演化成我們今天看到的模樣，是完全取決於其在宇宙早期的性質，還是周邊環境的影響？「這項研究表明，至少對一些星系來說，環境的影響很大。」他補充說仍有許多問題沒有回答，未來的星系團研究將會告訴我們答案。

關於宇宙，我們總有更多的問題有待解答——恆星、星系、星系群、星系團、超星系團，甚至更大的物質結構。由於宇宙中的物質集結成超星系團，成員們「彼此靠近」。天文學家只需轉一轉望遠鏡，便能找到由各種成員構成的集合體。他們不僅需要研究遙遠的宇宙是什麼樣子，還要研究它在過去是什麼樣子，將來又會演化成什麼樣子，鄰近的宇宙曾經發生過什麼事，將來又會發生什麼事。

資料來源：網絡整理

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