为了了解宇宙，科学家们正在研究银河系的宇宙邻居

本文刊登于 2020 年 6 月出版的《Discover》杂志，标题为“欢迎来到我们的邻居”。订阅以阅读更多此类文章。

一个世纪前，大多数天文学家认为我们的星系就是整个宇宙。1923 年，随着美国天文学家埃德温·哈勃在仙女座星座中的大型“螺旋状星云”中发现了造父变星，这一观点发生了 abrupt 的改变。由于这些恒星的周期与其光度相关，哈勃能够推断出它们的距离。他得出结论，这些恒星——以及它们所属的螺旋状星云——必定远在银河系之外。

现在被称为仙女座星系（M31）的这个螺旋星系，与我们自己的星系有很多相似之处。两者都是棒旋星系，拥有数千亿颗恒星，盘面跨度超过 10 万光年。尽管天文学家长期以来认为 M31 的质量是银河系的二到三倍，但近期的研究表明，两者可能质量相似。

这两个巨人——相距 250 万光年的宇宙邻居——是我们本星系群的“锚”。这个引力束缚的集合体跨越约 1000 万光年，包含 54 个以上的成员。至少，这是天文学家目前探测到的数量。寻找微弱的小星系就连地球上最大的望远镜也感到吃力，因此很可能还有不少隐藏在它们的“大家伙”的阴影中。找到这些低光度的伴星系并研究它们如何相互作用，将有助于天文学家理解我们家园星系的演化和最终命运。

王者及其宫廷

在 M31 和银河系之后，星系的尺寸明显缩小。本星系群的第三大成员——三角座星系（M33），尺寸仅为其较大邻居的十分之一。M33 位于特里安古勒姆星座，距离地球约 275 万光年，是本星系群中唯一一个非棒旋星系。由于它与 M31 的距离相对较近，一些天文学家怀疑它可能是仙女座的伴星系，甚至卫星星系。

毫无疑问，本星系群的第四大成员——大麦哲伦星系（LMC）——是我们的卫星星系。距离 160,000 光年，肉眼看来它就像是从银河系分离出来的一块。大麦哲伦星系位于剑鱼座和山案座的交界处，对于在中纬度北半球的观测者来说，它从未升起。大麦哲伦星系被归类为不规则星系，其质量约为 M33 的五分之一。

对于这些庞大的成员，本星系群还包含十几个矮星系。许多矮星系像飞蛾扑火一样围绕着较大的成员。仙女座星系拥有至少 15 个卫星星系，其中两个（小的椭圆星系 M32 和 NGC 205）可以通过后院望远镜在与其宿主相同的视野中看到。银河系拥有十几个卫星星系，包括大麦哲伦星系及其邻居——小麦哲伦星系（SMC），位于图坎座。奇怪的是，M33 没有已确认的卫星星系。

远离大型星系及其随行者，还有几个其他的小星系，它们似乎在引力上独立于其他星系。其中大多数很不起眼，天文学家难以将它们从银河系的前景恒星中分辨出来。本星系群的最外围成员似乎是 Sextans A 和 Sextans B，这是一对微小的、约 435 万光年远的不规则星系。

宇宙缩影

本星系群暴露了大多数科学家面临的熟悉挑战：大物体比它们更普遍的小表亲更容易被发现和研究。生物学家比研究数量上百倍的微观生物更容易观察和研究大象。恒星天文学家可以轻松地看到银河系中巨大的、高光度的恒星，但他们必须深入搜索才能发现占银河系 75% 的较小、较暗的红矮星。

在夜空中最亮的 100 颗恒星中，只有五颗也是距离最近的 100 颗。没有一颗红矮星的光度足以用肉眼看到。

对于星系天文学家来说，本星系群提供了一个近乎完美的实验室，用于探索最小、最常见的星系。我们附近的星系集合包括三个螺旋星系、两个椭圆星系、九个不规则星系（包括大麦哲伦星系和\}$小麦哲伦星系）以及至少 40 个矮椭圆星系、矮不规则星系和矮球状星系。为了真正理解整个宇宙，科学家需要研究这些数量众多的矮星系以及它们与稀有的“主人”的关系。

机器中的幽灵

为了做到这一点，天文学家希望对本星系群有一个完整的清单。这并不像听起来那么容易。任何未知的星系都必须是极其暗淡的，以至于它们散布得如此稀疏，以至于它们融入了天空，或者隐藏在银河系的尘埃盘后面。

2018 年秋季，一个天文学家团队宣布他们发现了一个符合所有这些条件的星系。这个名为 Antlia 2 的新本星系群成员，是一个被称为“幽灵星系”的银河系卫星。这是一个恰当的描述。这个天体是一个巨型矮星——如果这个说法说得通的话。虽然它的直径与大麦哲伦星系相似，但它发出的光却少 10,000 倍。对于它的尺寸来说，它似乎太暗了，或者对于它的光度来说，它太大了。

该团队由来自台湾台北天文物理研究所的 Gabriel Torrealba 领导，在梳理欧洲空间局的 Gaia 卫星数据时发现了 Antlia 2。Gaia 于 2013 年 12 月发射，已建立了一个包含近 17 亿颗恒星高精度测量的星表。

研究人员筛选数据，寻找 RR Lyrae 恒星——它们是哈勃用来发现 M31 星系性质的造父变星的低光度表亲。RR Lyrae 是老恒星，含有的重元素很少，与太阳等年轻恒星不同。由于它们出现在已知银河系矮卫星的每一个中，该团队将它们作为寻找先前未探测到的矮星系的示踪剂。

对于一个矮星系来说，Antlia 2 提出了一些重要问题。它的低质量是卫星星系的典型特征，但它的体积却不是。尽管来自银河系的潮汐力应该会剥离星系的恒星并导致其质量损失，但这个过程应该会使 Antlia 2 的体积缩小，而不是增大。“Antlia 2 是个特例，”团队成员、来自卡内基梅隆大学的 Matthew Walker 说。“我们想知道这个星系是否只是冰山一角，而银河系被大量几乎看不见的、与此类似的矮星系所包围。”

虽然 Antlia 2 目前距离银河系中心约 425,000 光年，但它的轨道使其近至 150,000 光年。然而，这仍然应该足够远，足以让这个矮星系在数十亿年内保持完整。

但并非银河系的所有卫星都会如此幸运。其中一个特别的，即人马座矮球状星系，已经多次穿过我们星系的盘面，并且随着银河系的潮汐将其分解，它正逐渐解体成恒星流。该星系的中心距离银河系中心约 82,000 光年。天狼犬座矮星系甚至更近（距离 42,000 光年），并且同样受到干扰。

最终，我们的星系将吞噬这些以及许多其他卫星，壮大银河系的同时也减少了其伴星的数量。

麦哲伦星系的碰撞

当然，实力悬殊的银河系与一个“蝇量级”卫星星系之间的战斗只有一个结局。但当两个实力相当的对手对决时会发生什么？你可能会得到类似麦哲伦星系的东西：不规则形状的星系，经历着大量的恒星形成。

密歇根大学的天文学家 Sally Oey 领导的一个国际团队利用 Gaia 数据研究了小麦哲伦星系中 315 颗恒星的运动。2018 年 10 月，科学家们宣布，小麦哲伦星系东南部的恒星正远离星系主体并朝向大麦哲伦星系移动。计算机模型表明，这两个星系可能在几亿年前就发生了正面碰撞。

这两位中量级战士很可能会一次又一次地相遇，最终合并成一个星系。但本星系群的终极战斗将在其两个重量级选手相撞时发生。观测表明，M31 正与银河系发生碰撞。这两个巨大的星系将在不到 40 亿年后发生第一次近距离擦肩。强大的潮汐力将使它们都变形，将它们有序的盘面转变成混乱的星系和恒星飞溅。两到三十亿年后，它们最终将合并成一个巨大的椭圆星系，天文学家称之为“Milkomeda”。

M33 可能会在合并后的星系周围轨道运行一段时间，然后也落入它们的引力范围内。本星系群的其余部分也将随之而来。

在未来几十亿年的时间里，未来的天文学家应该能够很好地掌握本星系群及其成员，并将其作为构建模块，更好地了解宇宙将如何演化。对于这几个不太规则的星系来说，这算是一个不错的遗产。

Richard Talcott 是《Astronomy》杂志的特约编辑。他的最新著作是《Space Junk》（Ziga Media，2019）。