宇宙最小的星系 暗物質比例最高
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要在宇宙中尋找暗物質,只需追隨普通物質的蹤跡就行。宇宙中最大的結構——大型星系、星系羣、星系團——都有一個共同的特點:它們的內部運動速度太快。
單一旋渦星系的自轉速度相當大,某些星系的外圍的速度甚至比內圈還要大。這一現象用它們所含的普通物質總量——把恆星、氣體、塵埃、等離子體,甚至黑洞加在一起都無法解釋。
在星系羣和星系團內,星系的運動速度同樣過快。如果僅僅存在普通物質產生的引力,這些結合在一起的星系就會四處飛散。
如果存在一種看不見的“暗”物質——如果它們是“冷”的,它們的運動速度比光慢;它們不會發生碰撞,不會通過電磁力或核力發生相互作用;它們和普通物質的比例是5比1——那這些過快的運動就都可以得到解釋。
但如果我們把目光從這些宇宙間最大的結構身上移開,轉而關注那些最小的星系,就會發現一種違反直覺的現象。
矮星系的恆星數量沒有旋渦星系那麼多,大多不會超過十億,甚至只有幾百萬。這些星系內的恆星運動速度比大型星系內的恆星要慢。但是要使這樣的結構保持穩定,所需的暗物質比例卻比別處要高出許多!
在某些情況下,這種比例甚至會高達20比1,而在極端情況下(更低的質量),這一比例甚至可以上升到幾百比1。宇宙中已知最小的星系是我們銀河系的衛星系,它們所含的恆星只有幾百,這些恆星圍繞着聯合質心運行,運行速度只有15千米/秒——比地球的公轉速度還慢。
通過計算我們發現,要使恆星在此空間區域保持該速度公轉,所需的暗物質總量竟然是太陽質量的成千上萬倍。也就是說,在此極端個例中,暗物質總量要比普通物質高出一千倍。
這是一種令人困惑的現象。宇宙誕生時,暗物質的含量是均勻的,宇宙結構的出現,也是暗物質的功績。計算機宇宙模擬結果同樣表明了這一點,在最大的尺度上,暗物質的分佈與我們通過觀測和計算推測出來的結果完美吻合。
這種差異來自何處?答案和暗物質的一個特點有關——它們不會發生碰撞。暗物質不會和電磁力發生作用,因此帶有能量的光子無法影響到它,也無法把能量傳遞給它。而能量的互相影響或轉移,在普通物質坍縮成恆星的過程中十分重要。
新生的恆星是熾熱的,會釋放出大量輻射;其中的巨星還十分不穩定,最終會導致超新星爆發。這些輻射會朝着所有方向傳播,它們前進路上的一切都會受其影響。普通物質會被加速到大於星系的逃逸速度,如果結果是這樣,那所有普通物質最終都會被拋出星系,進入星系際空間。
在小型星系中,引力的作用不足以抓住這些普通物質,只留下少量的恆星,以及不和輻射發生作用的暗物質。而在大型星系中,即便是規模最大的天體災難,也無法把普通物質趕走,因爲那裏的暗物質非常多,引力非常大,誰也走不了。
這也是宇宙的神奇之處。之所以有滿天的繁星,只是因爲存在暗物質。若非如此,物質早已進入星系之間的無邊虛空,宇宙中物質的丰度會大大降低,以致於地球不會出現,生命也不會出現。
因爲有暗物質,我們才得以存在。小星系的引力,不足以完成這個任務,因此只剩下一個暗物質團和少量的恆星。從而使宇宙間最小的星系,擁有比例最高的暗物質。
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