【科幻科學報 No.600】銀河系的黑暗面─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017最ＩＮ話題 ■ 銀河系的黑暗面
▌文／布里茲（Leo Blitz）
▌譯／李沃龍
▌提供／科學人
雖然天文學家花了很長的時間，才了解暗物質在宇宙裡的重要性，但我卻是瞬間頓悟的。1978年，我在美國加州大學柏克萊分校擔任博士後研究員時的第一個計畫裡，我測量了我們銀河系盤較外側區域裡正在形成恆星的巨型分子雲之旋轉速度。我用當時最精確的方法來測量，並坐在天文系的交誼廳裡用手在繪圖紙上將結果畫出來。兩位銀河系的專家徐遐生和金恩（Ivan King）恰巧在旁邊，看著我填上最外側星雲的速度。當我們看到最後的圖案時，立刻清楚意識到銀河系原來處處充斥著暗物質，特別是在最外緣的部份。我們毫無頭緒地坐下，思考著暗物質的本質是什麼，並很快發現所有我們能想出的主意都是錯的。
1970與1980年代，包括上述研究在內的許多研究結果迫使天文學家不得不承認暗物質（一種既不發射也不吸收光，僅能透過重力效應來確認其存在的神秘物質）不但存在，並且是構成宇宙的最重要物質。威金森微波異向性探測器（WMAP）所做的測量，證實了暗物質的總質量是一般物質（質子、中子、電子等）的五倍；但其本質為何，卻仍然難以捉摸。這顯現出我們對於未經證實的物質理論所做的最保守假設，是多麼地無知——那些理論推測暗物質是由一種仍未被粒子加速器所偵測到的奇特粒子所構成。最不可思議的假說甚至認為，牛頓的重力定律與愛因斯坦的廣義相對論錯了，最起碼需要一些令人不怎麼舒服的修改。
無論暗物質本質為何，對於銀河系如何擁有某些特定性質的古老謎團，暗物質提供了解答的關鍵。例如，天文學家50多年前就已經知道銀河系的外緣部份，就像被遺忘在暖爐上烘烤的黑膠唱片般扭曲變形。除非考慮暗物質的效應，否則他們無法解釋這種變形。還有，依據暗物質的假想性質所做的電腦模擬預測，應該有成千上百個衛星星系正環繞著銀河系運動才對，但天文學家只觀測到20幾個衛星星系，人們不禁懷疑暗物質的性質是否和想像中不同。但近年來，有些天文團隊發現了許多矮星系，縮減了這項數量上的差異。這些最近找到的衛星星系不僅幫忙解決了長久以來關於星系結構的謎，或許也能提供一些關於宇宙物質總量的知識。
扭曲的銀河系
暗物質究竟告訴我們關於銀河系的哪些資訊？要回答這個問題，我們得先大概了解一下星系的組成。恆星與氣體等一般物質，駐留在四個主要結構裡：薄薄的星系盤（包括風車狀的螺旋圖案與太陽所在的位置）、緻密的星系核（這裡藏著一個超大質量黑洞）、稱為星系棒的狹長凸出部份，以及包覆著星系其他古老恆星和星團的球狀「暈」。暗物質的分佈則全然不同，雖然我們無法看見它，但可藉由恆星與氣體的旋轉速度推測其存在；它對可見物質的重力效應顯示它約呈球狀分佈，並延伸遠超過星暈的範圍，密度則在中心處最高，然後大約隨著距離的平方向外遞減。這種分佈形態是天文學家稱為「階式合併」的自然結果：此論點認為小星系在早期宇宙中合併增長，建構出包括銀河系在內的較大星系。
多年來，天文學家對於暗物質的基本認識，始終停留在這個由未知物質構成、找不到明顯特徵的巨球。但在過去數年裡，我們已成功蒐集了更詳盡的資訊，證實暗物質比我們想像中更有趣──有許多證據顯示，暗物質並非均勻分佈，反而擁有一些巨大的團塊結構。
這項不均勻的特性剛好能夠解釋星系扭曲的發生與程度。當天文學家說星系被扭曲了，主要指的是星系盤外緣區域的彎曲變形。星系盤距離中心超過五萬光年的地方，幾乎全是氫原子氣體，只有很少量的恆星。依據無線電波望遠鏡的觀察，這些氣體並非橫躺在星系平面上；越向外側，氣體的分佈就越偏離星系平面。大概到了7萬5000光年的地方，星系盤就自星系平面處偏折了約7500光年。
顯然當盤內氣體繞著中心轉的時候，會上下振盪進出平面。這個振盪的週期超過億萬年，而我們就在該循環的某一瞬間捕捉到它的身影。基本上，氣盤的作用就如同某種巨大的鑼，以慢動作緩緩地晃盪。就像鑼一樣，它能以多重頻率振盪，每個頻率對應到特定的曲面形狀。2005年，我們證實了觀測到的扭曲變形是三種頻率加成的結果，最低的頻率比中央C還低了64個八度音程。此外，其整體效應是不對稱的：星系某一側的氣體比另一側的更遠離星系平面。
1950年代首度發現這扭曲變形現象的電波天文學家認為，那是受到了環繞銀河系最重的兩個星系──大、小麥哲倫雲的重力影響所致。因為這兩個衛星星系的軌道不在銀河系平面上，它們的重力會扭曲星系盤。不過，詳細的計算顯示，由於麥哲倫雲比銀河系小太多，重力太過微弱，因此數十年來，銀河系明顯扭曲變形的原因仍然是個無解的問題。
隱形鑼槌
知道了銀河系含有暗物質，加上對麥哲倫雲質量的新估計（顯示它們的質量比以往認為的高），天文學家提出了一項新的可能性。假如氣盤的作用類似一張巨鑼，那麼麥哲倫雲穿越暗物質暈的軌道，就像敲擊巨鑼的棒槌，間接促使其發出自然的聲響或共振頻率。就像船在水上划行時會形成尾波一樣，麥哲倫雲也會在暗物質裡製造出尾波，使暗物質的分佈變得較不均勻。如此一來，不均勻性的作用就如棒槌一般，敲響了位於氣盤外側的低質量區域。結果就是，雖然麥哲倫雲微不足道，但暗物質硬是大大擴展了它們的效應。
美國麻州大學阿模斯特分校的溫伯格（Martin D. Weinberg）在1998年提出了這個構想，稍後，我們共同將此構想應用於銀河系的觀測上，結果發現我們能夠複製出三種頻率的氣盤振盪模式。假如此理論是正確的，則扭曲變形就是銀河的一項活動特性，其形狀將隨著麥哲倫雲在其軌道上行進而持續變化，不會是固定的（此過程的影像請參見www.ScientificAmerican.com/oct2011/blitz）。
扭曲並非銀河系外形上唯一不對稱的地方，電波望遠鏡還發現了另一種令人訝異的景象──氣盤的外層有一側比較厚。如果有人從太陽畫條線連到銀河中心並向外延伸，將會發現此線一側的氣層厚度，平均約是另一側的兩倍。這項大尺度的不對稱性並不穩定，若不干擾它，星系的外形必將回復正常；如要繼續維持這般樣貌，則必須有某種機制來支撐它。天文學家30年前就發現這個問題了，但一直置之不理。直到最近，一方面因為對銀河氫原子的新觀測品質大幅改善，另一方面天文學家已經更加了解氣體的非圓形運動，使得不對稱性無法再忽略不計，天文學家才回頭檢視這個問題。
最佳的兩項解釋都與暗物質有關。原因可能是球狀的銀河系不與其暗物質暈同心分佈，或者如德國馬克士普朗克地外物理學研究所的薩哈（Kanak Saha）所言，暗物質暈本身就不對稱。這兩項說法都令人對「銀河系和暈共同形成於一團龐大物質雲的凝聚過程」這個老舊觀點感到懷疑；若果真如此，一般物質與暗物質的分佈中心應該相同。因此，這個不對稱性可說是星系起源於更小單位的合併，或成長於不斷合併或吸積星系際氣體等過程更進一步的證據，因為這些過程不必然是對稱的。由於氣體、恆星與暗物質的性質不同，可能導致星系中心從暗物質的中心偏移出去。
研究從星系較外緣延伸出去的薄長條狀星流，是一個再次確認此觀念的方法。環繞在銀河系的軌道上最常見的一種星系，因為圓圓的外形與低質量的組成恆星（通常只有銀河系裡恆星質量的萬分之一）而稱為矮球體星系，它們的軌道隨著時間衰減，使得這些衛星星系遭受銀河系潮汐力的霸凌，拉扯出薄長的帶狀結構遺跡。這些作用力與月球趁地球旋轉時，拉扯地球上的水體而產生每日兩次海潮的作用力，是完全相同。
由於這些星流裡的恆星在很遠的距離外環繞星系，那裡暗物質的重力效應強大，因此星流的形狀可用來探測暈的形狀。如果暈並非完美的球狀，而是稍扁一些，它會對星流裡恆星的軌道施加力矩，使其軌跡明顯偏離大圓。觀測的結果顯示，那些星流碰巧都非常薄，且它們環繞星系的軌道都近乎大圓。因此，法國斯特拉斯堡天文台的伊貝塔（Rodrigo Ibata）等人根據電腦模擬，認為暗物質的分佈非常接近球狀；儘管如此，它仍可能像薩哈等人所主張的那樣傾向一側。
星系失蹤了！
不僅矮星系的毀滅會造成問題，其形成也會。在目前的模型裡，星系起始於暗物質的堆積，然後吸附氣體與恆星，形成可見的部份。此程序不但產生了銀河系這樣的大型星系，也製造出無數的矮星系。這些模型可得出大致正確的矮星系性質，但預測的矮星系數量卻遠遠超過觀測所見。究竟是模型還是觀測出了問題？
史隆數位巡天的新數據分析提供了部份的答案，該巡天計畫有系統地掃描了大約1/4的天空區域，並且新找到了10幾個環繞著銀河系的極暗星系。這很令人震驚，因為長久以來，天空已被完整掃描了好幾次，很難想像為何我們一直沒發現這些就位在銀河系家門前的星系。這些星系被稱做超弱矮星系，在某些情況下，它們僅含有數百顆恆星。由於這些星系太過微弱且稀疏，因此不會出現在一般的天空影像中，必須使用特別的資料處理技術才能確認。
假如史隆數位巡天是掃描整個天空，它可能會再發現另外30幾個的矮星系；但即便如此，仍無法解釋所有「失蹤」的矮星系，所以天文學家已在找尋其他的可能性。或許更多這樣的星系就在那兒，但因太遠而超出現有望遠鏡的偵測範疇，史隆數位巡天只能看見大約15萬光年內的超弱矮星系。美國加州大學爾灣分校的陶樂若德（Erik Tollerud）等人預測，在遠至離銀河中心約100萬光年的距離範圍內，可能有多達500個環繞銀河系的星系還沒被發現。今年3月動工興建的大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope）是新的光學望遠鏡，將擁有比史隆大八倍的集光面積，應能夠找到那些遙遠的星系。
另一項假說是，有比最暗的超弱矮星系還黯淡的星系環繞著銀河系，或許它們不具有任何恆星，所以如此漆黑昏暗。這種星系幾乎純粹由暗物質構成，能不能被看見取決於它們除了暗物質外，是否還含有氣體。由於這類氣體可能充份擴散，冷卻的速率勢將緩慢到無法形成恆星。儘管如此，以電波望遠鏡搜尋大片天區，或許仍然偵測得到這類氣體。
但若這些星系缺乏氣體，它們就只能透過對一般物質的重力效應，間接顯露蹤影。就像將石頭擲入湖泊會造成飛濺的水花，假如有這類暗星系猛然撞穿了銀河系盤面或其他星系，就會在恆星與氣體的分佈或速度上產生觀測得到的擾動。不幸的是，這種擾動的幅度將非常微小，而天文學家必須確認沒有其他方式可製造出這種擾動──這會是一項極艱鉅的任務，因為所有螺旋星系的氫原子星系盤都有擾動現象，程度就像微微冒出洶湧汪洋上的海浪。
如果暗星系的質量夠大，根據美國弗羅里達亞特蘭提克大學的查克拉巴帝（Sukanya Chakrabarti）、我和其他幾位合作者所設計的方法，就能辨識其行跡。我們最近證明了星系邊緣區域最大的擾動，往往是來自路過星系的潮汐效應，這可以從其他的擾動中區分出來做分析，推測出闖入星系的質量與其目前的位置。這項技術可辨識質量只有原星系千分之一的星系，應用於銀河系上，我們的團隊推論出有個未曾被發現的暗星系，潛藏在距離星系中心約30萬光年的銀河系盤面處。有些計畫正在利用史畢哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）蒐集的近紅外光數據，來尋找這個星系。
超乎想像的黯淡
除了偵測銀河系附近的超弱及暗星系帶來的挑戰外，這些星系也為天文學家帶來一項關於其所含物質相對數量的更深層問題。天文學家常利用質光比（mass-to-light ratio）來量測星系所含物質的多寡；這個比值等於物質的質量除以該質量所能提供的總發光量。我們將太陽的質光比定義為1太陽單位，以量化此比值。比起太陽，銀河系裡一般恆星的質量稍小一些，但卻暗了許多，因此星系裡所有發光物質的質光比接近3。若再加上暗物質，銀河系的總質光比便跳升至30左右。
美國華盛頓卡內基學院的西蒙（Josh Simon）和耶魯大學的蓋哈（Marla Geha）測量了八個超弱矮星系裡的恆星速度，以得到這些星系的質量與光度。在某些狀況中，其質光比超過1000，這是目前宇宙裡所有已知結構中最高的質光比。在整體宇宙中，暗物質量也只不過是一般物質的將近五倍，為何銀河系的質光比如此之高，而超弱星系甚至更高呢？
答案可能藏在此比值的分子或分母中：質光比高於宇宙平均值的星系，可能擁有比預期多的質量，或產生較少的光。天文學家認為罪魁禍首應是分母。大量的普通物質無法輻射出可見的亮光：若不是因為它們永遠無法進入星系並凝聚成恆星，就是因為它們或許確實曾經進入星系，但隨後又被排放至星系際空間，而以游離態存在，以致於目前的望遠鏡都偵測不到。低質量星系的重力較微弱，所以喪失的氣體更多，因此它們的光輸出量會不成比例地大幅縮減。這可真是個古怪的反諷：從一類不可見物質（暗物質）所引發的問題，竟然誘導出另外一連串（普通但無法偵測的物質）的問題。
沉寂多年的暗物質之謎，現在成了物理與天文學上最炙手可熱的研究領域之一。物理學家希望能夠確認並偵測到組成暗物質的粒子，天文學家則在找尋更多暗物質性質的線索。但無論你是否覺得奇怪，暗物質的存在的確已為許多天文現象提供了答案。
（本文原載科學人2011年第117期11月號）
科學小視窗 ■ 東漢天文異象 超新星爆炸
▌文／科科報編輯小組
《後漢書》記載：「中平二年十月癸亥，客星出南門中，大如半筵，五色喜怒稍小，至後年六月消。」紀錄了中國東漢年代、西元185年的一場天文異象，意思是有一顆星星閃耀空中8個月，大小如同半張竹蓆，後來被天文學家認為是超新星，最近科學家則解謎為何2000年前會突然有超新星閃耀空中。
根據外電報導，美國航太總署（NASA）利用望遠鏡進行新的紅外線觀測，對這顆人類歷史上紀錄的第1顆超新星如何生成有了新的解釋，這篇發表在《天文物理期刊》的研究指出，這顆恆星爆炸發生在空洞部位，導致噴出物質飛得比平常更快更遠，所以這顆距離地球8000光年的超新星才會膨脹如此巨大和迅速。
科學家在1960年代已確認這個神秘星體是人類記載的第1顆超新星，而最新研究又幫這個史書記載的天文異象成因略為解惑。
