宇宙中的黑暗星系

张唯诚

星系团中的“隐士”

星系是恒星庞大的“社区”，是亿万恒星的家，但它们并非都闪烁着星光，有些是暗淡无光的。和我们熟悉的明亮星系不同，这些暗淡的星系没有明亮的核心，没有环绕核心的由恒星和气体组成的宏伟旋臂，也不是散发着辐射的密集星群。它们的星光微弱异常，仅仅照亮一些模糊的团块，是星系团中谦逊的“隐士”。加拿大多伦多大学的天体物理学家罗伯特·亚伯拉罕说：“假如你抓住银河系，将其中99%的恒星扔掉，那你就得到了一个黑暗星系。”

人们目前并不清楚黑暗星系是怎么来的。它们可能是一类全新的星系，也可能是普通星系的一种异端。不管何种情况，它们好像无处不在。天文学家首次报道它们是2015年的早些时候，之后不久，人们就在距我们不远的星系团中发现了更多。亚伯拉罕说：“我们的发现从一无所获迅速越过了1000，这是非同寻常的。”

新发现的黑暗星系给人们带来了很多疑惑。有些星系和银河系差不多大，按理说制造很多恒星是没有问题的，它们应该很明亮，但事实上暗淡无光。迄今，对于这种星系，天文学家还未弄清楚它们的质量，也许它们是一些“失败”的星系，即使它们的质量和银河系一样，一些尚不明了的因素也可能阻碍它们形成恒星的“居住地”。还有一种可能是，尽管它们看上去和银河系一样大，却既“轻”又“薄”，如果它们结合得不够紧密，便无法获得那种极端的热度以形成足够多的恒星。

不管怎么说，黑暗星系中的恒星非常少，它们应该有很多我们看不见的物质，否则邻近星系的引力就会将它们撕裂。

“蜻蜓”大显身手

为了发现黑暗星系，人们使用了新型的望远镜。普通的望远镜通常是越大越好，一个很大的反射镜或者透镜能发现足够微弱的光斑。然而，即使是最大的望远镜也有局限，因为无法滤掉不需要的光。望远镜上的每个表面都产生光，它们来自各个方向并反射到影像上。这种散射光是一些暗淡的光点，它们幽灵一般地掩盖掉一些原本就模糊的细节，有些甚至看起来很像模糊的星系。庞大的黑暗星系就和这种光点很相似，这也正是人们一直没有注意到它们的原因，直到人们使用一种新型的望远镜扫描天空。

人们把这种望远镜称为“蜻蜓”，它独特的设计能对付那些幽灵般的光点。和多数光学望远镜不同，这种望远镜像一个蜂巢。2013年，这个装置只有三个光学长焦镜头，每个都安装在照相机上。然而，这个装置一直在“成长”，现在，它已是拥有48个透镜和照相机的组合了。它们可以同时观测天空的同一个部分，透镜上工艺精湛的抗反射涂料把散射光控制到最小。假如同一种斑点显示在每一个照相机拍摄的影像上，那就可以肯定它是真实的，也就是说，它不是散射光造成的虚假影像。

由于设计这个装置的灵感部分来自蜻蜓的复眼，人们便叫它“蜻蜓”。“这是一个非常聪明的想法，真是妙极了。”美国石溪大学的天文学家幸田仁说，“‘蜻蜓使我们意识到，我们拥有了一个发现一些全新的星系的机会，它们是此前从未被人知道的。”

后发座星系团

2014年春，科学家将“蜻蜓”指向了后发座星系团，这是一个被充分研究过的星系团，拥有几千个星系，位于大约3.4亿光年之外。后发座星系团相当紧凑，其中众多的星系为天文学家提供了探索宇宙奥秘的理想场所。人们在那里研究遥远的恒星和其他星际物质，这有助于人们获得星系合并后天体演化的一些证据。

不久，在后发座星系团的边缘，人们发现了不少令人惊讶的全新的星系。亚伯拉罕说：“人们研究后发座已经有80年的历史了，但想不到还能发现全新的东西。”是的，那是一些黑暗星系，散布在星系团中，共有47个，有些和我们的银河系一般大。

令人不解的是，如此大的星系却没有制造出众多的恒星；更令人惊讶的是，这种星系竟能“生活”在一大群星系世界的“巨无霸”中。

在一个星系中，星系的引力是将星系中所有恒星聚在一起的力量，来自邻近星系的引力则总是企图将星系拆分开。因此，一个星系要得到足够大的引力使自己不至于解体，它就必须拥有足够的质量，这种质量的存在是依赖恒星、气体以及其他星际物质的存在而实现的。

在宇宙中的某些地方，例如后发座星系团，一个星系必须拥有很大的质量或者密度。然而，黑暗星系中的恒星太少了，假如这种星系占有的空间太大，那么它们应该在很早以前就被邻近星系的引力摧毁了。因此，天文学家认为，这些星系可能是新近才进入后发座星系团的。另外一种可能是，它们已发展得非常强壮了。

发现了更多

然而，目前的研究显示，后发座星系团中的黑暗星系好像已经在那里存在了几十亿年，它们出现在星系团中的广阔区域，这表明它们经过了漫长时间的流散并逐渐融合在了这个古老的星系团中。而且，在黑暗星系中存在的仅有的恒星大多是红色和低温的，这种低能量的光线表明它们很古老。因此，對这些星系来说，要想存在这么长的时间，就必须拥有某种隐藏的力量，这个力量很可能就是大量暗物质。

其实，所有星系都拥有很多暗物质。平均来说，宇宙中的暗物质大约占了所有物质的85%。然而，根据美国耶鲁大学的天文学家皮特·冯·多库姆及其同事的估计，在后发座星系团中，黑暗星系要想拥有足够的引力保持其完整，它们中心区域的暗物质必须占所有物质的98%。

由于发现黑暗星系的技术有了突破，科学家现在更热衷于搜寻这种奇特的天体了，他们开始仔细研究后发座星系团和其他星系团的影像。黑暗星系非常暗淡，很容易隐藏在星系团的背景光中，有时又会被当作望远镜的散射光。然而，一旦人们知道了如何去发现它，就不会再失望了。人们这时才知道，此前发现的47个黑暗星系其实只是冰山的一角。

2015年6月，美国石溪大学斯托尼布鲁克分校幸田仁的研究小组在由昴星团望远镜拍摄的图像中很容易地找到了此前发现的47个黑暗星系，这证明它们是真实存在的。更令人惊喜的是，除此之外，他们还发现了更多黑暗星系。

科学家一共找到了854个黑暗星系，其中的332个有银河系那么大。进一步的估计表明，在后发座星系团中，各种不同大小的黑暗星系超过1000个。假如这个估计是正确的，那么这个数量就和已知的明亮星系不相上下了。

后发座星系团之外

然而，后发座星系团并不是唯一隐藏着黑暗星系的星系团，人们还在室女座星系团中发现了三个黑暗星系。2015年8月，美国凯斯西储大学的天文学家克里斯托夫·米霍斯及其同事报道了这个发现。这些星系位于5400万光年之外。

2016年6月，法国萨克雷核研究中心的天体物理学家雷可·范德伯格及其同事报道了另一个意外的发现。他们使用位于夏威夷莫纳克亚山上的一架望远镜去估算几个星系团的质量。他们共观测了8个星系团（这些星系团处在10亿光年之内），结果意外发现了大约800多个超稀薄的黑暗星系。西班牙天体物理学家迈克尔·比斯利说：“当我们使用了更大的望远镜后，我们发现了更多的黑暗星系。我们不知道究竟有多少，但我们知道那里的黑暗星系非常非常多。”他认为，那里的黑暗星系可能比正常星系还要多。

黑暗星系究竟是什么，它们是如何形成的，这在目前还没有答案，多数科学家只知道它们有多大和多亮。迄今，只有三个黑暗星系的质量得到了测量，其中两个的质量和银河系周围的小星系相似，只有千分之一的质量来自恒星，其余都来自暗物质。第三个星系叫“蜻蜓44”，是一个大型黑暗星系，它的重量和整个银河系相当，几乎全是暗物质。

有关形成的两种推测

黑暗星系的形成可能应该归咎于它们所处的环境。一个星系团，例如后发座星系团，是通过吸引附近的星系而成长起来的。星系团中弥漫着炽热的电离气体，当星系进入星系团时，它们要穿越这种气体，这个过程会将星系中的一些气体剥离。但星系需要气体来形成恒星，一旦那些气体和尘埃因恒星自身的引力发生坍塌，就会变成一个发生着热核反应的“熔炉”，这就是恒星。

然而，当一个星系进入星系团并开始制造恒星时，那种由电离气体形成的“逆风”有可能吹掉大多星系中的气体，导致很多恒星无法形成，这个星系就有可能变成黑暗星系了。

上述描述是黑暗星系形成的一种推测。另一种推测是由马克斯·普朗克天体物理学研究所的科学家尼古拉·阿莫罗索和哈佛史密森天体物理中心的科学家亚伯拉罕·洛布提出的。这两位科学家描述说，所有的星系都是旋转的，但黑暗星系也许旋转得更快，这导致其中的恒星和气体被甩得很远，从而将物质散布得很开，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团，也就是黑暗星系。这两位科学家将他们的这个理论发表在了2016年3月的《皇家天文学会月刊》上。

探秘之旅任重道远

为了验证这些理论，天文学家需要获得两项关键信息，即星系的质量和它们所处的位置。质量能帮助人们了解星系诞生的过程，位置能让他们知道黑暗星系是否和巨大的星系团是完全不同的。在这方面，人们也做了一些研究。2016年8月，耶鲁大学的天文学家艾莉森·梅利特及其同事发现4个黑暗星系潜藏在一个8000万光年之外的小星系团中，这似乎表明后发座星系团这类大型星系团并不是黑暗星系仅有的“容身之地”。另外，范德伯格也研究了8个星系团，并发现不

论星系团的质量如何，作为星系团一部分的黑暗星系在整体的表现上和其他所有星系是一样的。

宇宙中的黑暗星系到底有多少？它们都隐藏在什么地方？雷可·范德伯格说，“在这件事情上，问题总是比答案多”。黑暗星系也许暗示着关于星系形成的解釋需要新的理论，也许只是星系形态中仅有的一种，也许受制于时间、位置、运气的相互作用。这些因素使一部分星系拥有光明的未来，另一些则隐退到了暗淡的背景中。也许它们是一种混合体，其最后的结局取决于发生

在不同环境中的不同过程。不管是什么情况，对天文学家来说，黑暗星系都是极具诱惑力的，他们无法抗拒这种诱惑。随着发现的增多，他们寻找答案的欲望也越来越强，因为他们知道，破解黑暗星系的秘密是极具价值的，可以帮助人们更好地了解宇宙中的诸多秘密，尤其是宇宙中所有星系的形成和演化之谜。当然，其中也包括我们的银河系。