圖注:這個星系,UGC 2885,也被稱為魯賓星系,是迄今發現的直徑約80萬光年的最大的螺旋星系。它確實是一個G.O.U.:一個不尋常的星系。
超過一定大小,螺旋星系就不應該存在。當兩個品質相當的星系相互作用形成一個較大的星系,幾乎總是會破壞該螺旋結構,從而產生一個巨大的橢圓形星系。我們通常發現的唯一超大旋渦星系是在與鄰居的引力相互作用中,產生一個擴充套件的“大旋渦”結構。
但是對於每條規則,都有明顯的例外。在維拉·魯賓(Vera Rubin)對UGC 2885的旋轉特性進行觀測之後,一個特定的星系被非正式地稱為魯賓星系,它實際上比已知的任何其他旋渦星系更大,更安靜。 這是一個不尋常大小的螺旋星系,是一個真正的G.O.S.,雖然它並沒有完全違揹我們關於星系形成的理論,但要解釋它當然是一個挑戰。值得注意的是,僅通過觀察正確的細節,天文學家現在認為他們知道這個最不尋常的星系是如何形成的。
圖注:前最大的螺旋星系紀錄保持者馬林1號由一個小核心組成,周圍環繞著巨大的螺旋臂。這些擴充套件的特徵是由與周圍星系的引力相互作用產生的,並導致了相信沒有經歷這種相互作用不會有更大的螺旋,這一信念隨著UGC 2885的發現和分析被推翻。從理論上講,有兩種方法可以建立一個大型旋渦星系,並且它們都以相同的方式開始。在年輕的宇宙中,無論是正常物質還是暗物質的巨大物質雲將在其自身引力作用下開始坍塌。儘管暗物質佔了大部分品質,但它僅在引力作用下相互作用,這意味著它不會發生碰撞、變熱、失去角動量或坍塌。暗物質始終保留在分散的“蓬鬆”光暈中。
但是,正常物質是由與我們相同的成分構成的,會與自身相互作用。正常物質不僅經歷引力,而且隨著其坍塌,不同的原子、分子和其他粒子發生碰撞並相互作用。它們失去了角動量,無論它先塌陷的尺寸如何,它都會“飛濺”並形成盤狀,然後旋轉。這是所有螺旋星系中存在的盤狀結構的起源。
圖注:一般來說,在宇宙中,會坍塌形成結構(如星系)的氣體雲將開始作為一個不規則形狀的品質,然後沿著所有三個軸引力收縮。最短的軸將首先"旋轉",導致形成一個平面和一個旋轉的圓盤:從大型螺旋星系到單個恆星和行星系統都存在這種現象。據我們所知,星系總是從小開始,然後以兩種可能的方式生長。
星系間氣體可以從周圍密度較小的周圍區域引力吸引。這種緩慢、逐漸地將物質輸送到星系中,將為新一代恆星提供新的燃料,將沉降到現有星系的盤狀和螺旋狀結構中,並將導致星系在厚度上略微變大,並且其徑向範圍明顯變大。較小的星系和原星系,也來自周圍的,密度較低的空間區域,可以被吸引到更大的星系。這個過程是有點不同,因為這些物體內部已經有恆星和結構,它們將被破壞和撕裂,拉伸成碎片流,然後最終沉降成較大螺旋的一部分,並使它變得越來越厚,越來越粗,範圍更大。這兩個過程都被認為發生在我們的宇宙中,而後一個過程則發生在我們銀河系周圍的矮星系中。
圖注:該圖顯示了星系間氣體是如何流向星系的,導致逐漸生長,既不干擾也不破壞和預先存在的螺旋結構。但是,通過大型合併,最快,最有效,最常見的增加星系品質的方法是不可能發生的。如果兩個大小相當的星系合併在一起,而不考慮合併的方向,那麼兩個星系中所含氣體的絕大部分將坍塌,形成壯觀的新恆星爆發。這是一個壯觀的天文學事件,被稱為星暴:整個星系變成一個巨大的恆星形成區。
這通常會耗盡新星系中存在的大部分氣體,一次形成全部恆星,然後停止恆星形成。這些恆星形成於一個很大的空間中,形成一個橢圓形的結構,而不是螺旋形的結構,然後,隨著星系年齡的增長,最大品質的恆星死亡,而僅剩下較小、較冷,較紅的恆星。
圖注:數十億年來沒有形成新恆星,而且星系內部沒有氣體,這些星系被認為是"red-and-dead"。仔細觀察NGC 1277,這裡顯示,它可能是我們宇宙後院中第一個這樣的星系。要找到像我們在這裡看到的那樣大的螺旋線-魯賓星系(UGC 2885),這意味著沒有重大合併。我們仍然看到的事實:
螺旋結構擁有塵埃臂有離子化氫的粉紅色訊號(來自新恆星形成),有藍色的星星點綴著旋臂(表明最近有新形成的星星出現),還有一塊不受干擾的、平坦的磁碟,告訴我們,這種螺旋增長要麼是氣體吸積,要麼是小規模合併,要麼兩者兼而有之,但沒有其他過程。
儘管在宇宙中星系會以這種方式形成非常稀有,但是,優秀的科學家總是希望確切地知道它是如何發生的。幸運的是,有一種非常聰明的說法:通過觀察銀河系中存在的球狀星團。
圖注:球狀星團Messier 69是非常不尋常的,它既極其古老,只有宇宙現在年齡的5%,而且金屬含量也非常高,其金屬含量是太陽的22%。較亮的恆星處於紅巨星階段,剛剛耗盡其核心燃料,而一些藍色的恆星是這些不尋常的藍色流星。銀河系內的球狀星團顯示各種年齡和顏色,但大多數,如Messier 69,形成於120或130億年前。每當您爆發出巨大的恆星形成時,儘管您確實會在廣闊的區域內產生大量的恆星,但您不僅會在整個銀河系中均勻地產生新的恆星。發生的事情是,氣體的最大,最集中的區域導致了巨大而密集的恆星集合,從數萬個恆星一直到數百萬個新恆星,全部都包含在幾十光年內:球狀星團。
每個星系都有自己獨特的球狀星團群,分佈在整個光暈中,這些光暈是在極端恆星形成期間形成的。如果所有極端恆星形成發作同時發生,我們預計球狀星團在星系中都是相同的年齡,這表明至少在特定時期發生了中等規模的合併。另一方面,如果有許多小星系的合併或氣體的積累,形成我們今天所看到的星系,我們預計球狀星團會進入不同的時代。這兩種情況都是可能的,但是對球狀星團本身足夠好的觀測應該能夠從它們內部的恆星的顏色中確定哪一個是真實的。
例如,在我們自己的銀河系中,我們發現的大多數球狀星團都非常古老,形成於大約120或130億年前。球狀體的這一組成部分表明,銀河系的主要組成部分是在早期由於引力坍塌和潛在的合併形成的,從而導致恆星形成在短時間內突然爆發。但是,除此之外,我們還發現了更年輕的球狀星團,這表明隨著時間的推移,較小的星系和氣體流入,導致在不同時間引起新的恆星爆發和新的球狀星團的形成。
因此,測量魯賓星系中球狀星團的年齡,將揭示過去是否發生過重大合併,從而導致恆星突然爆發並同時形成新的球狀體,或者它們是否在不同的時間形成,這表明氣體的逐漸積聚而沒有任何重大的星系合併(以及大片的恆星形成)。當一組科學家將哈勃太空望遠鏡的視線轉向魯賓星系時,他們發現了前所未有的東西。
圖注:魯賓星系UGC 2885的內部區域顯示了新恆星形成時發生的電離氫(紅色),以及沿旋臂的一個清晰可見的年輕藍色恆星群。在其發現的球狀星團共有1600個,顯示了各種顏色和年齡,但對於如此巨大的星系來所,這個數字是非常小的。首先,他們發現的所有球狀星團都顯示出各種顏色,這很好地表明了它們是由逐漸流入的氣體在各個時期形成的。也許最有趣的是,似乎並沒有在同一時間形成大量球狀體,這表明魯賓星系的歷史上沒有任何大型或中型合併。單憑這一證據,就可以支援“氣體的逐漸積聚”,而不是周圍的較小星系的積聚和合並。
但第二個證據更有力:在這個螺旋星系的龐然大物中發現的球狀星團數量對於它的品質來說很小,這表明,自早期以來,實際上沒有引發過強烈的恆星形成。通過合併或引力相互作用。
圖注:UGC 2885的外圍,距離其中心有數十萬光年,仍然顯示出掃掠的手臂和年輕的恆星,顯示出:80萬光年的巨大範圍,使其成為迄今為止最大的螺旋星系。當我們觀察這個G.O.S.周圍的環境時,既沒有附近的大品質結構,也沒有擾亂的內部結構,這些內部結構無法解釋該星系的大型擴充套件螺旋結構。魯賓星系確實是這個巨大的宇宙奇異星系,可能僅由物質逐漸積聚形成。
根據該研究的首席研究員本尼·霍爾韋達(Benne Holwerda)的說法,在我們當地的地區,與魯賓星系最可比的星系是安靜的小螺旋:M83,南部風車星系。它是:
相對孤立在附近沒有大型星系,只有一個穩定的核沿其旋臂經歷穩定、安靜、緩慢的恆星形成過程。所有這些都指向一個安靜,緩慢的氣體吸積。然而,魯賓星系是巨大的,使它成為迄今為止第一個具有這些組合特性的星系。
這是一個有史以來發現的最大的螺旋星系之一:它是有史以來最大的螺旋星系,它的分佈範圍為800,000光年,是一個真正的宇宙異常星系。距我們只有2.3億光年,所以它也足夠近,我們可以成像和識別其球狀星團和恆星形成率。如此龐大星系,如此規則地成形的星系,其恆星形成的水平如此之低,並且由於其難以置信的大小而很少有球狀星團(1600),這一事實的確使它成為了宇宙的獨角獸。
這個異常大小的星系確實是首創,不僅是因為如此精美的對稱和安靜,而且還使其發展到了如此巨大的規模,而整個歷史上卻沒有發生任何重大破壞性事件。在整個宇宙中,可能沒有另一個像它那樣,但這僅僅是首次發現新型螺旋星系:一個G.O.U.S。