暗物質(zhì)拉動(dòng)了最大的螺旋星系達(dá)到驚人的速度

當(dāng)涉及星系時(shí)，速度有多快?銀河系是一個(gè)普通的螺旋星系，在我們太陽(yáng)附近以每秒130英里(210公里/秒)的速度旋轉(zhuǎn)。新研究發(fā)現(xiàn)，最大質(zhì)量的旋渦星系旋轉(zhuǎn)得比預(yù)期的快。這些最大的“超級(jí)螺旋”比我們的銀河系重約20倍，其旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)每秒350英里(570公里/秒)。

超級(jí)螺旋幾乎在所有方面都是例外。除了比銀河系大得多之外，它們的物理尺寸也更明亮，更大。與銀河系的100,000光年直徑相比，最大跨度為450,000光年。迄今為止，僅已知約100個(gè)超級(jí)螺旋。在研究斯隆數(shù)字天空測(cè)量(SDSS)以及NASA / IPAC星系外數(shù)據(jù)庫(kù)(NED)的數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)超級(jí)旋渦是重要的新型星系。

馬里蘭州巴爾的摩市太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的帕特里克·奧格說(shuō)：“從許多方面來(lái)說(shuō)，超級(jí)螺旋都是極端的。” “他們打破了轉(zhuǎn)速記錄。”

Ogle是2019年10月10日發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上的論文的第一作者。本文介紹了有關(guān)使用南半球最大的單光學(xué)望遠(yuǎn)鏡南部非洲大型望遠(yuǎn)鏡(SALT)收集的超級(jí)螺旋的旋轉(zhuǎn)速率的新數(shù)據(jù)。使用加州理工學(xué)院(California Institute of Technology)運(yùn)營(yíng)的帕洛瑪天文臺(tái)(Palomar Observatory)的5米海爾(Hale)望遠(yuǎn)鏡獲得了其他數(shù)據(jù)。來(lái)自NASA的廣域紅外測(cè)量瀏覽器(WISE)任務(wù)的數(shù)據(jù)對(duì)于測(cè)量恒星中的星系質(zhì)量和恒星形成率至關(guān)重要。

南非開普敦大學(xué)的湯姆·賈瑞特(Tom Jarrett)在談到這項(xiàng)新研究時(shí)說(shuō)：“這項(xiàng)工作很好地說(shuō)明了星系的光學(xué)和紅外觀測(cè)之間的強(qiáng)大協(xié)同作用，并通過(guò)SDSS和SALT光譜揭示了恒星運(yùn)動(dòng)以及其他恒星特性，特別是通過(guò)WISE中紅外成像，可以發(fā)現(xiàn)宿主星系的恒星質(zhì)量或“主干”。”

理論表明，超級(jí)螺旋旋轉(zhuǎn)很快，因?yàn)樗鼈兾挥诎滴镔|(zhì)的令人難以置信的大云或光環(huán)中。數(shù)十年來(lái)，暗物質(zhì)一直與星系旋轉(zhuǎn)有關(guān)。天文學(xué)家維拉·魯賓(Vera Rubin)開創(chuàng)了銀河系自轉(zhuǎn)速度的研究，表明螺旋星系的旋轉(zhuǎn)速度要比重力僅由恒星和氣體引起的旋轉(zhuǎn)快。另一種稱為暗物質(zhì)的不可見(jiàn)物質(zhì)必須影響星系旋轉(zhuǎn)。給定質(zhì)量的恒星的螺旋星系有望以一定的速度旋轉(zhuǎn)。Ogle的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)超級(jí)螺旋線大大超過(guò)了預(yù)期的旋轉(zhuǎn)速度。

超螺旋也存在于大于平均暗物質(zhì)暈的區(qū)域。Ogle測(cè)得的最大質(zhì)量暈圈中含有足夠多的暗物質(zhì)，其重量至少是太陽(yáng)的40萬(wàn)億倍。那樣數(shù)量的暗物質(zhì)通常將包含一組星系，而不是單個(gè)星系。

奧格解釋說(shuō)：“看來(lái)，星系的自旋是由其暗物質(zhì)暈的質(zhì)量決定的。”

超螺旋打破了恒星中星系質(zhì)量與自轉(zhuǎn)速率之間通常的關(guān)系，這一事實(shí)是反對(duì)另一種引力理論的新證據(jù)，該理論被稱為修正牛頓動(dòng)力學(xué)或MOND。MOND提出，在像銀河系和星系團(tuán)這樣的最大尺度上，重力要比牛頓或愛(ài)因斯坦所預(yù)測(cè)的稍強(qiáng)。例如，這將導(dǎo)致螺旋星系的外部區(qū)域旋轉(zhuǎn)得比根據(jù)其在恒星中的質(zhì)量所預(yù)期的旋轉(zhuǎn)得更快。MOND旨在重現(xiàn)螺旋旋轉(zhuǎn)速率的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系，因此無(wú)法解釋超螺旋等異常值。超級(jí)螺旋觀測(cè)表明不需要非牛頓動(dòng)力學(xué)。

盡管超旋渦是宇宙中質(zhì)量最高的旋渦星系，但與其中所含暗物質(zhì)的數(shù)量相比，超旋渦實(shí)際上在恒星中的重量不足。這表明大量的暗物質(zhì)抑制了恒星的形成?？赡苡袃蓚€(gè)原因：1)被吸入銀河系的任何其他氣體會(huì)一起崩潰并變熱，阻止其冷卻并形成恒星，或者2)銀河系的快速旋轉(zhuǎn)使得氣體云更難以塌陷離心力的影響。

奧格說(shuō)：“這是我們第一次發(fā)現(xiàn)像它們一樣大的螺旋星系。”

盡管有這些破壞性的影響，但超級(jí)螺旋仍然能夠形成恒星。盡管最大的橢圓星系在100億年前形成了全部或大部分恒星，但超級(jí)旋渦仍在形成恒星。它們每年將太陽(yáng)質(zhì)量的30倍轉(zhuǎn)換成恒星，這對(duì)于一個(gè)如此大小的星系來(lái)說(shuō)是正常的。相比之下，我們的銀河系每年約形成一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星。

Ogle和他的團(tuán)隊(duì)提出了其他觀測(cè)結(jié)果，以幫助回答有關(guān)超螺旋的關(guān)鍵問(wèn)題，包括旨在更好地研究其盤中氣體和恒星運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)。在2021年發(fā)射后，NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡可以研究更遠(yuǎn)距離和相應(yīng)年齡的超級(jí)螺旋，以了解它們?nèi)绾坞S著時(shí)間演變。NASA的WFIRST任務(wù)可能會(huì)幫助定位更多的超級(jí)螺旋，這要?dú)w功于其超大的視野。