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1.2 人类如何揭开麦哲伦星流的神秘面纱?

我们已经介绍了两个与大、小麦哲伦云有关并且改变了整个天文学史的重大发现:标准烛光和超新星中微子。接下来,我们就来看看大、小麦哲伦云本身。

大、小麦哲伦云是在地球南半球才能看到的两个矮星系(图1.10)。大麦哲伦云与地球相距16万光年,其总质量约为太阳质量的170亿倍;而小麦哲伦云与地球相距20万光年,其总质量约为太阳质量的24亿倍。

图1.10 大、小麦哲伦云

20世纪下半叶,天文学家们发现了一个与大、小麦哲伦云有关的、堪称波澜壮阔的天文现象,那就是麦哲伦星流(图1.11)。

图1.11 麦哲伦星流

麦哲伦星流的发现,得从20世纪中叶的一股天文学热潮,即21厘米氢线说起。

早在19世纪,人类就发现,氢原子能够发出图1.12所示的几种可见光,这就是氢元素的发射线。

图1.12 氢元素的发射线

1944年,荷兰天文学家范德胡斯特指出,除了图1.12展示的这几种可见光外,氢原子还可以发出一种特殊的电磁波。这种电磁波处于无线电波的波段,波长为21厘米,所以被称为21厘米氢线。为什么以前的人没发现21厘米氢线呢?因为它产生的概率小到匪夷所思的地步:在1000万年的时间里,一个氢原子发出21厘米氢线的次数大概只有1次。

但到了星系的层次,情况就大不相同了。由于星系中包含着大量的氢原子,即使概率不够,也可以用数量来凑。聚沙成塔,星系中的氢原子发出21厘米氢线,就成了一种必然。

用21厘米氢线来研究星系,有两个巨大的优势:①星系中包含的70%以上的物质都是氢元素,所以只要弄清楚氢元素的分布,就可以画出整个星系的“骨架”;②21厘米氢线是一种无线电波,其穿透力极强,不会受到各种星际气体和尘埃的干扰。

我们在之前的银河系之旅中讲过,在20世纪50年代,荷兰著名天文学家奥尔特通过对南北半球夜空中的21厘米氢线的观测,首次画出了银河系内氢元素的分布图。正是基于这张氢元素分布图,人类才得以确定,银河系是一个形如风车的涡旋星系。这让关于21厘米氢线的研究成了一股20世纪中叶的天文学热潮。

1965年,一个叫迪特尔的天文学家在用射电望远镜观测南半球夜空的时候,看到了一种让他感到困惑的东西:在银河系南极附近用可见光什么都看不到的地方,存在着一些由中性氢原子构成的云团。这些云团的运动速度非常快,远远超过本星系群里的其他天体。所以,它们被称为高速云。

此后5年,天文学家们又在南半球夜空的其他天区,陆陆续续地发现了更多的高速云。这些高速云的分布范围非常广,在南半球的夜空中可谓无处不在。

最初,人们对这些诡异的高速云感到一头雾水,但随着天文观测技术的快速发展,情况很快就有了变化。

1972年,一些天文学家测量了这些高速云与地球之间的距离。他们惊讶地发现,这些分布甚广、颇为神秘的高速云,与地球的距离相差无几。这让天文学家们开始怀疑,这些分布甚广的高速云其实是连在一起的。

如果这些高速云真的都连在一起,那么它们肯定会有一个源头。最早找到源头的人,是一个叫马修森的天文学家。1974年,他利用一个位于澳大利亚新南威尔士州的射电望远镜持续追踪这些高速云的起源,结果一路追到了大、小麦哲伦云。最后呈现在他眼前的,是一条延绵50万光年、几乎覆盖了整个南天球的“大河”(图1.13中的粉色区域)。这条由中性氢原子构成的“大河”,就是麦哲伦星流。

此后数十年的天文观测,让人们对这条名为麦哲伦星流的“大河”有了更多的了解。这条大河由两条支流交汇而成,一条来自大麦哲伦云,另一条来自小麦哲伦云。它的最大流速能达到450千米/秒,而它的总质量能达到太阳质量的2.7亿倍。研究表明,这条大河已经奔流了大概25亿年。

图1.13 麦哲伦星流

那么问题来了:这条延绵50万光年、已经奔流了25亿年的大河,到底是如何起源的呢?

目前,关于麦哲伦星流到底如何起源的最主流的理论,是所谓的潮汐模型。要想讲清楚这个潮汐模型,需要先介绍一个天文学概念:潮汐瓦解。

什么是潮汐瓦解?这得从潮汐力讲起。图1.14就展示了潮汐力的基本原理。众所周知,任意两个物体之间都存在引力,而且引力的大小与这两个物体间距离的平方成反比。所以月球对地球表面施加的引力,在不同的地方会有不同的大小。在离月球最近的月下点,月球的引力最大;而在离月球最远的对跖点,月球的引力最小。这种由受力物体自身大小而导致的引力差异,就是潮汐力。

图1.14 潮汐力基本原理

以地球人的视角来看,月球潮汐力会对地球产生怎样的影响呢?我来打个比方。想象有一列火车,沿一条直线向前方飞驰。其中车头速度比较快,车尾速度比较慢。此时,一个坐在这列火车车厢中的人会看到什么呢?答案是,他会看到这列火车向车头、车尾两端同时伸长。

同样的道理,以地球人的视角,月球潮汐力会把地球往月下点和对跖点的两端同时拉伸。由于地球表面上最容易拉伸的东西是海水,所以月球潮汐力就会让月下点和对跖点的海水同时鼓起,这就是涨潮。相应地,位于月下点和对跖点中间的海水会出现回落,这就是落潮。正是由于月球的潮汐力,地球上才会出现潮起潮落的现象。

天体的质量越大,潮汐力的拉扯效应就越明显。举个例子,月球只能让地球表面潮起潮落,而木星则能像电影《流浪地球》中描绘的那样,让整个地球都土崩瓦解。

图1.15就展示了木星潮汐力让地球瓦解的原理。离木星越近,地球受到的木星潮汐力就越大,从而被木星潮汐力拉扯得越扁。一旦越过一个特定的边界,也就是所谓的洛希极限,木星潮汐力就会大到足以将地球撕碎。这个过程就是所谓的潮汐瓦解。

图1.1.5 潮汐瓦解

知道了什么是潮汐瓦解,我们就可以来讲讲关于麦哲伦星流起源的最主流理论,即潮汐模型了。

1976—1977年间,一些天文学家提出了一个早期的潮汐模型。他们认为,大概在20亿年前,大、小麦哲伦云中的部分天体落入了银河系的洛希极限以内,进而受到了潮汐瓦解。从那以后,大量中性氢原子就从大麦哲伦云中被剥离出来,并在银河系强大引力的吸引下持续不断地流向银河系,从而形成了这条波澜壮阔的麦哲伦星流。

但到了20世纪90年代,哈勃空间望远镜(Hubble space telescope,HST)的上天,让这个最早的潮汐模型受到了严峻的挑战。

利用HST,天文学家们发现了一件意想不到的事情。大家本以为,大、小麦哲伦云都是银河系的小跟班,就像地球绕太阳旋转那样,在一个比较小的椭圆轨道上绕着银河系公转。但HST的观测结果表明,这两个卫星星系,其实在一个相当巨大的椭圆轨道上绕银河系公转:要想绕银河系完整转上一圈,至少得花60亿年。这意味着,大、小麦哲伦云很可能是第一次靠近银河系。这样一来,银河系就没有足够的时间对大、小麦哲伦云进行掠夺,进而剥离出这条麦哲伦星流。

所以,一些天文学家就对最早期的潮汐模型进行了修正,提出了一个改良的版本。改良版的潮汐模型认为,大、小麦哲伦云一度非常接近,进而爆发了“内战”。这场内战最后以两败俱伤告终:无论是大麦哲伦云还是小麦哲伦云,都有大量的物质被对方的潮汐力剥离。随后,大、小麦哲伦云都进入了银河系的势力范围。而这些被剥离的物质,都在银河系引力的作用下持续不断地奔向银河系,从而形成了今天的麦哲伦星流。这就是所谓的大、小麦哲伦云相争,银河系得利。

早晚有一天,麦哲伦星流将汇入银河系,就像河流将汇入大海。麦哲伦星流的汇入会为银河系注入新的活力,从而大大增加银河系新恒星的诞生速率。换言之,靠着掠夺大、小麦哲伦云的资源,银河系会变得更加繁荣。

其实遭到银河系掠夺的,远远不止大、小麦哲伦云。时至今天,天文学家已经在银河系的周边找到了几十条星流。这些星流,就来自于银河系亚群中的那30多个矮星系。换句话说,银河系周围的那30多个“小弟”,全都向银河系进过贡。

弱肉强食,这就是宇宙的法则。 yNTXBxlkkS+ih/whRzMgQX5Kt+xJWDJmeQDK5IwrfTPPdDaH1+Llqo5+a6H1i7pX

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