高速旋轉的旋渦星系
翻譯：陸寅楓
校對：郭皓存
編排：胡暖暖
後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦
衆所周知，我們的地球在宇宙中並不是靜止的。它以平均每秒29.78千米的速度環繞着太陽運轉。而太陽系也以平均每秒220千米的速度在銀河系中飛馳。不過，我們卻從未對其有過絲毫感知。
在我們的宇宙中，當你觀測的尺度越大， 事情總是會越發令人驚奇。根據一個國際天文學家團隊最新的研究成果，宇宙中質量最大的那些“超旋渦星系”自轉的速度是銀河系的兩倍。天文學家認爲，導致如此高速旋轉的原因是包裹在這些星系周圍的巨大的暗物質暈。
這一研究成果發表在了最近的《天文物理期刊通訊》上。該國際團隊的天文學家們來自加州理工學院，太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute, STSI)，開普敦大學，新澤西大學，斯威本理工大學等。
一些超旋渦星系。
Credit: NASA/ESA/P. Ogle/J. DePasquale(STSI)（上排）;SDSS/P. Ogle/J. DePasquale(STSI)（下排）
超旋渦星系對天文學家來說是一種較新的現象，天文學家只有從斯隆數字巡天(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)和NASA/IPAC外銀河系數據庫所記載的數據中找到過它們的身影。到目前爲止，天文學家總共只發現了100個左右的超旋渦星系，但從我們現有的觀測結果來看，這些天體有着非常與衆不同的特性。
除了比銀河系大了許多之外，這些超旋渦星系還更亮，並且包含更多恆星。在所有已知的超旋渦星系中，最大的一個直徑足有45萬光年（銀河系直徑只有10萬光年），質量約是銀河系的20倍。據太空望遠鏡科學研究所的研究成果，它們除了以上特性外，還擁有更高的旋轉速度。
在本次研究中，天文學家主要使用了南非大望遠鏡(Southern African Large Telescope, SALT)所收集的23個已知超旋渦星系的旋轉曲線數據。此外，帕洛馬山天文臺的5米口徑海爾望遠鏡也提供了額外觀測數據，而NASA的廣域紅外線巡天探測衛星(Wide-field Ingrared Survey Explorer, WISE)更是提供了有關星系質量和恆星生成速率等重要信息。
正如開普敦大學的研究員Tom Jarrett評價道：
“這次的研究成果很好地展示了星系觀測在可見光波段和紅外線波段之間的相輔相成，斯隆數字巡天和南非大望遠鏡揭示了星體的運動，而廣域紅外線巡天探測衛星在中紅外波段的觀測則確定了星系的其他一些特徵，如質量和整體結構等。”
NASA的一些超旋渦星系的存檔圖片。
Credit: SDSS
研究人員發現，這些超旋渦星系的旋轉速度遠高於銀河系，其中最快的旋轉速度達到每秒570千米，幾乎是銀河系的三倍快（由於暗物質的存在，星系在除了非常靠近核心的區域外，任一半徑上的旋轉線速度是相當的）。除此之外，研究人員發現這些超旋渦星系的旋轉速度遠超它們其中的恆星，氣體，塵埃等物質的質量能造成的旋轉速度，這與天文學家幾十年來的觀測結果是相一致的，暗示了這些超旋渦星系中大量暗物質的存在。
銀河系的旋轉速度曲線。與恆星系等系統不同，在星系中，除了非常靠近核心的區域外，任一半徑上的旋轉線速度是相當的。圖中橫座標是到銀心的距離（單位：光年），縱座標是旋轉線速度（單位：千米/秒）。
Credit: Addison Wesley/University of Arizona
“超旋渦星系在許多方面都是極端的。它們打破了在此之前的旋轉速度記錄。”太空望遠鏡科學研究所的Patrick Ogle，本次研究的主要成員說道，“研究成果似乎表明星系的自旋是由圍繞它的暗物質暈的質量決定的…這是我們第一次發現幾乎接近極限大小的旋渦星系。”
Ogle和他的同事們最終判定這些超旋渦星系中有着大於平均值的暗物質暈。事實上，Ogle和他的同事們估計這些超旋渦星系中最大的暗物質暈有着接近40萬億倍太陽質量。天文學家通常會期望在一個星系羣附近發現這麼多暗物質，而不是單單一個星系。
這次研究又一次對那些試圖修改重力模型以否定暗物質存在的理論提出了反擊。在這些理論中，最有名的是修正牛頓動力學(Modified Newtonian Dynamics, MOND)。這個理論提出，在宇宙裏那些質量最大的結構中（星系，星系團等），重力效應會比我們現在所認爲的強一些。
宇宙在第30億年左右時的暗物質分佈，由星系形成的數值模型給出。
Credit: VIRGO Consortium/Alexandre Amblard/ESA
但是，修正牛頓動力學並不能解釋我們觀測到的這些超旋渦星系極高的旋轉速度，這意味着非牛頓動力學是必需的。另外一個重要的觀測結果是，儘管有着相當巨大的暗物質暈，這些超旋渦星系所含有的恆星數量遠低於天文學家的預期。這可能暗示了過多的暗物質存在可以抑制恆星形成。
研究團隊給出了兩種可能的解釋。其一，被吸進星系的額外氣體由於星系的高速旋轉而升溫，導致冷卻並堆積成恆星的可能性降低。其二，高速旋轉本身對於氣體雲的形成和堆積就是具有干擾性的。
儘管如此，我們觀測到的任何一個超旋渦星系還是有着恆星形成的能力：每年可以形成總質量約30倍太陽質量的恆星（這速率比銀河系高出30倍）。在將來，Ogle和他的團隊希望可以對這些超旋渦星系做出更多觀測，以便學習其中氣體和恆星的運動。
這些有關超旋渦星系的問題很有可能可以由下一代天文觀測儀器做出解答，如詹姆斯韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST)和廣域紅外線太空望遠鏡(Wide-Field Infrared Space Telescope, WFIRST)等。一旦部署，這些望遠鏡可以觀測更多更遠的超旋渦星系，換句話說，我們可以瞭解它們更早期的狀態。
小行星1998 HL1將會以相對安全的 380 萬英里（620 萬公里）的距離掠過地球，下次再見將是2051年。