為何星系越小,暗物質卻更多?

天文在線 發佈 2020-01-05T01:18:27+00:00

宇宙就在那裡,等待著我們去探索。始於一場爆炸 圖解:數值模擬形成的星系大尺度結構。圖源:forbes無論我們從任何方向,採用任何辦法去觀察宇宙,我們都會發現暗物質與普通物質的比率是5:1。

宇宙就在那裡,等待著我們去探索。

始於一場爆炸

圖解:數值模擬形成的星系大尺度結構。圖源:forbes


無論我們從任何方向,採用任何辦法去觀察宇宙,我們都會發現暗物質與普通物質的比率是5:1。無論我們是否考慮宇宙微波背景輻射的波動,或是基於X射線的透鏡關於星團碰撞的比率,又或是螺旋和橢圓星系這種大型結構星團,聚合或旋轉的方式性能差異,那都將是同一個比率——暗物質同普通物質之比為5:1——無論身處何處。

圖解:這四個獨立的集群和星團都展示出暗物質(藍)與普通物質(粉)之間的分隔。

圖源:NASA

這個比率存於任何地方,直到你開始觀察宇宙中最小的星系。同銀河系大小趨近的星系,代表著我們在宇宙中已經探索到的絕大部分星系,5:1的比率都保持恆定。但是,當你觀察較渺小的星系,如簇狀矮星系或是只在你所處集群中才可見的超低質量星系(由於他們發出的光十分微弱),你會發現,總質量越小,暗物質所占比重越大。

圖解:矮星系NGC 5477。圖源:NASA

換句話說,星系質量越小,你會發現恆星與普通物質所占比重越少,那麼暗物質占主導的地位就越強!這似乎有些自相矛盾,那是因為引力對暗物質和普通物質的作用力是相同的。當你從過密區開始,無論他是從一個渺小的集群變成一個微型星系還是從一個大型集群變成一個超大質量的星團,他都會對正常物質和暗物質產生相同的吸引力。

但是如果我們進行更深入的思考(並考慮到以下兩張圖片),那就能夠解釋為什麼暗物質會在渺小星系中占據主導地位。這並不是因為誕生之初,渺小星系就擁有更多的暗物質;反而他們在初始時,也是保持的5:1比率,但是因為他們的引力太弱,控制住內含物質對他們來說十分困難。不幸的是,普通物質既會同光,又會同其他普通物質相互作用,這使得他們會以一種難以置信的輕易程度被剝離。

圖解:恆星爆發星系Messier 82,物質被噴射出時呈紅色的噴流狀。圖源:NASA

當恆星形成大爆炸時,就會產生強烈的紫外線輻射。當最大質量恆星死亡時,它們會產生超新星爆發,這些超新星使物質去離子化並將其加速到接近相對論的速度。當把物質傳送到黑洞時,它會產生氣流將物質噴射到星系際介質中。所有的這些因素在所有的星系中都起作用,但這些物質噴射僅影響普通物質。因為暗物質對所有的電磁環境都是透明的,無論是在恆星形成、恆星死亡又或是黑洞內蝕事件發生時,都只有普通物質才會被噴射。另一方面,這些影響僅僅穿過暗物質,所以它仍存在於低質量星系中。

圖解:螺旋星系ESO 137-001的正常物質在其快速通過星系團內介質時被剝離。圖源:NASA

當大型星團內部有星系時,這種差異會更加明顯。那裡的星系間介質十分稠密並且充滿了物質,這些星系會以高速穿過,這就如同強風可以輕易地吹散蒲公英鬆散的種子,簇內介質也很容易將普通物質從宇宙中低質量星系吹散,只留下暗物質。

圖解:暗物質占主導的矮星系NGC 147。圖源:Roberto Mura

考慮到以上帶來的所有影響,你會發現星系越小且質量越低,初始擁有普通物質後的保持就會越脆弱,這就會使暗物質與普通物質的比率越大。對於宇宙中最小的迷你星系,1000:1的比率是很正常的,但當回到銀河系大小的星系時,那就回到了宇宙中其他一切都將保持恆定的5:1的比率。所有的一切在誕生時,暗物質與普通物質的比率也許都是一樣的,但只有長久占有普通物質的才是最大的贏家!

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. 凡廖-Ethan Siegel- forbes

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