星系“小尾巴”或成尋找暗物質線索
◎實習記者 何 亮
4月21日，美國國家航天航空局（NASA）官網發佈消息稱，天文學家發佈了新的銀河系外圍的全天空地圖，圖上有一處特別明顯的亮點，其是由一個即將與銀河系相撞的矮星系引起的恆星尾流，這也引起了天文愛好者們的熱烈討論。中國科學院紫金山天文臺天體物理學博士常江接受科技日報記者採訪時表示，這是在上世紀40年代提出動力學摩擦理論後，人類第一次直接觀測到產生動力學摩擦的高密度尾流。它的發現將完善星系動力學的理論框架，對星系宇宙學理論具有重要的推動作用。
動力學摩擦效應是星系宇宙學中一個重要的物理機制，但一直沒有直接的觀測證據。
常江表示，一般來說，天體的運動只需要考慮引力，不需要考慮由於電磁相互作用引起的摩擦力。比如在地球圍繞太陽公轉50億年的過程中幾乎沒有受到摩擦力的影響。
而當一個大質量物體靜止在背景密度場中時，受到各個方向引力的合力爲零，運動性質不會發生改變。但如果它相對背景密度場有運動時，就會導致其萬有引力吸引周圍的物質，並在其身後形成一道高密度尾流。這個尾流會帶來一個向後的靜引力，拖拽該物體減速，產生和摩擦力類似的結果，因而這個效應被稱作“動力學摩擦”。
設想大河上有一條小船，船繩拴在岸上。如果把繫繩放開，船就會被河水沖走，這是由於河水和船之間有摩擦力（這裡不考慮粘滯）。常江向科技日報記者舉例解釋，如果船與河水的運動狀態不同，船就會因爲河水的摩擦力而被帶着與河水一起運動；如果河水沒有摩擦力，船受到來自各個方向河水的引力合力恰爲零，這時即便放開繫繩，船也會因爲牛頓第一定律，留在原地不動。
但是，即便在河水沒有摩擦力只有引力的環境下，水經過船後因受到船的引力，流動軌跡也會彎折——從船左邊經過的水會向右拐，從船右邊經過的水會往左拐，船尾便產生了一個高密度的尾流，使得船後方的物質比前方的物質更多，從而對船產生一個向後的淨引力，這就會使船向後運動。“雖然河水沒有摩擦力，但由於引力聚集，仍然會產生一個類似於摩擦力的效應。”常江強調。
與行船相同，星系在一個背景物質場中運動時，會產生動力學摩擦，導致其速度越來越慢。空間尺度越大，這個效應越明顯。太陽系內可以不考慮，但在星系尺度就非常明顯了。
這次是人類第一次觀測到了這個高密度尾流，就是全天空地圖衆銀河系下方的藍的發白的團塊。“這說明在那裡的恆星數目比周圍的高，很可能就是銀盤下方右側兩個星系（大小麥哲倫星雲）在銀河系中運動時產生的恆星高密度尾流。”常江說。
新地圖還揭示了這個高密度尾流和一個叫作大麥哲倫星雲（以下簡稱大麥雲）的矮星系之間的聯繫——大麥雲像一艘穿過水的船一樣駛過銀暈（科學家們認爲，銀暈是由被銀河系扔出來的高速星、星團、彌散矮星系等組成的一個“大雜燴”，包括沒有明顯結構的恆星組成的低密度恆星球和各種星流、恆星高密度區），它的引力使銀暈中的恆星聚集，並在它的後面產生了尾流。
常江告訴科技日報記者，大麥雲是銀河系內最大的衛星星系，總質量大致爲銀河系的十分之一，但它很可能是剛“掉”進來的，因而受潮汐影響時間太短，潮汐結構發育不充分，所以我們難以對其“掉落”過程進行研究。
這次發現相當於提供了一個新的結構或新的視角來研究大麥雲的掉落過程。常江表示，因爲大麥雲實在太大了，它可以作爲一個很好的“探針”來研究銀河系和周邊的結構，甚至限制宇宙學和暗物質理論。有天文學家認爲，銀河系被包裹在一個巨大的暗物質暈中心，恆星和氣體加起來只佔這個暗物質暈質量的百分之三。
“顯然，根據動力學摩擦理論，這個高密度尾流不光由高密度恆星組成，同時應該在相同位置有個質量更大的暗物質尾流，兩者合力爲大麥雲減速。”常江大膽設想，雖然暗物質看不到，但通過對恆星結構和大麥雲動力學研究，可以推測這個尾跡質量和範圍有多大，從而進一步推測恆星和暗物質的比例、恆星暈結構，以及銀河系暗物質暈的結構、分佈、質量等，並對暗物質的性質進行判斷，看看是冷暗物質還是溫暗物質，或者是其他某種特殊粒子。
“以前繪製的全天地圖，要麼看不到外暈；要麼精度不高，恆星數目不夠多；要麼由多個望遠鏡的數據組合而成，觀測準確性不確定。”常江表示，此次天文學家對微弱的恆星尾流實現成功觀測，得益於觀測能力的提高，更緣於空間望遠鏡可實現全天空觀測的優勢。
而且，由於地球位於銀盤上，此處的恆星、氣體、塵埃等天體的密度都非常高，對銀盤的光學觀測一直是個大問題。除銀盤結構以外，觀測能力也限制了對銀盤邊緣、銀暈、銀河系內衛星星系和星流的觀測。常江表示：“太遠太暗的區域很難看得到它們，即便看到了獲得的信息也極爲有限。這個一方面需要提升望遠鏡的技術，另一方面需要多波段觀測，比如通過X射線看高溫氣體和高能過程等，通過射電望遠鏡觀測銀河系內的氣體等，紫金山天文臺目前就正在通過射電觀測繪製銀河系內氣體分佈的‘銀河畫卷’。”