所有星系都是每10亿年转一次？看科学家如何解释“宇宙之钟”
2018/8/7 7:00:00 科学大院
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近日，天文领域一篇名为“宇宙之钟：中性氢选取的星系中半径与速度的紧凑关系”论文(英文标题是“Cosmic clocks: a tight radius-velocity relationship for HI-selected galaxies”，以下简称“该工作”)引起了人们的广泛关注，该工作称星系的旋转像时钟一样，时间是固定的。而一些新闻媒体则报道称，“天文学家已经发现，所有的星系每10亿年都自转一次，不管它们多大。”
笔者读到新闻中的结论，心中不禁打了几个问号:所有的星系？自转周期均为10亿年，是指星系内侧还是外侧？这个有意思的结论，对星系形成和演化的理解带来了怎样的推动呢？情况如何，让我们来梳理下这项工作。
星系半径：星系研究的窗口
星系是由很多恒星、气体等在引力作用下组成的一个系统。我们的银河系就是一个星系，内含3000多亿颗恒星。星系有质量大小之分，体积大小之分。不同星系间的性质有什么异同？星系是如何诞生、演化的？这些都是天文学家们关心的问题。
如何解答这些问题呢？天文学家们通常从相关性研究入手，先定义能描述星系性质的几个参数，再看看它们之间具有怎样的相关性，是否如理论或数值模拟的那样？
该工作中运用的两个参数也是天文学家们使用多年的参数——速度和星系的半径。
从星系的图片并不能清晰地确定星系边缘，所以星系的半径测量起来困难重重。天文学家定义了有效半径，即从星系中心到有效的半径范围内包含了星系总光度的一半。光度指星系每秒钟辐射的总能量，表征了星系的发光本领。
图1 有效半径Re的定义示意图，图片来源：网络
而该工作运用了一种新方式来定义星系半径——星系的最大探测半径，通过绘制星系内单位面积的亮度(面亮度)随着距星系中心的远近的变化图解，选择面亮度下降的趋势开始变得平缓的临界半径作为最大探测半径。
图2 星系NGC 4365和NGC 5447的面亮度随着星系内到中心距离的变化，Rmax取趋势开始变平缓的临界半径，可以看出蓝线对应的Rmax比红线对应的Rmax更大。图片来源：http://spiff.rit.edu/classes/phys443/lectures/gal_2/gal_2.html
该工作从星系的中性氢谱线获取速度。你一定还在好奇中性氢是什么？别急，这就慢慢道来。
中性氢，波长为21厘米，频率是1420.406赫兹，源自中性氢原子的能级跃迁发出的光子。中性氢原子由原子核(只有一个质子)和电子组成。处于基态的氢原子中，电子自旋所产生的磁矩和质子自旋所产生的磁矩的方向可能相同或反向，两者相同时能量更高。两者的状态从磁矩同向跃迁至磁矩反向时，就会释放光子，也就是21厘米中性氢辐射。
实际上，发生自发跃迁的概率非常非常低，在没有外界干扰情况下，每长达1100万年才会发生一次这样的跃迁。但由于星系中的中性氢丰富，所以辐射21厘米谱线不是问题。21厘米谱线也是射电天文观测到的第一条谱线，是研究星际中性氢原子分布、星系结构的重要手段。顺便再发散下，著名的以搜寻地外文明的SETI计划曾希望接收中性氢信号，来分析寻找地外文明。为什么要选择中性氢21厘米谱线，据说一个原因是有部分科学家认为，既然中性氢如此普遍，外星文明肯定知道，如果他们够聪明，说不定已成功使用中性氢作为一种传递信息的方式。
言归正传，这篇文章基于一个合理的假设：假设星系中的中性氢分布在旋转主导的星系盘上，故中性氢的最大速度能反映星系外盘边缘的旋转速度。
旋转速度与星系最大半径的关系
天文学观测可分为两大类，往广看和往深看。往广看，就是基于同一方法和设置，对全天或部分天区进行系统性观测，称作“巡天观测”。
该工作就选取了分别来自于巡天观测的数据——从SINGG巡天数据中选取了71个星系，从SUNGG中选取了87个星系，以及来自于Meurer, Zheng & de Blok (2013)所研究的20个星系。SINGG和SUNGG样本的星系位于距离6.5亿光年以内的近邻宇宙内，而第三个样本的星系位于6500万光年以内的近邻宇宙内。
他们根据观测数据，推算出每个星系的最大半径Rmax和旋转速度，然后看看它们之间在对数坐标下具有什么关系，结果就看到弥散小的线性关系，也就是说星系越大，旋转速度也越大。而旋转速度与半径之间的比值却是几乎一致的，这就意味着星系盘边缘转动一圈所需要的时间，数值上约为10亿年。
图3 SINGG样本中的星系最大半径Rmax和速度V在对数空间下的线性关系
这便是媒体新闻上所说的，不管一个星系是非常大还是非常小，如果你可以坐在它旋转的圆盘的边缘,它将会花费你大约10亿年的时间来绕一圈。
不过要注意的是：
1. 旋转速度和星系半径之间的线性关系，并不是首次发现，但此次发现的线性关系更加聚集，即弥散更小。在之前的研究中，天文学家们就已经发现过星系的光度和速度的四次方成正比；而盘的半径与光度也有正相关，这与盘的形成、演化机制等有关；因此速度和盘的半径之间存在相关性也可预期的。之前观测上也看到了速度与盘的半径之间接近线性关系，但弥散比较大。
由于之前的工作所得到的关系偏离线性比较大，因此也就没有进一步给出量化的周期，而这篇文章却进一步有理有据地提炼出，近邻宇宙中甭管星系多大，盘外围的气体绕转一圈所需的时间约10亿年。也正是这样众人都能读明白的结论引起了媒体的关注。天文界关心的更是为什么存在这个相关性。一些天文学家认为，这个工作所获取的紧致的线性关系很有意思，目前理论上还没有细致的解释，值得深入探究；但也不会对现有星系形成和演化理论带来颠覆性的重新认知。也许后者是该工作没有让天文学家万分激动的主要原因吧。
2. 这篇文章得到的结论是基于近邻宇宙的星系，且以富含中性氢的盘星系为主；也用光学波段巡天挑选出的星系样本进行测试，因此也许可以推广至盘星系，但并不能直接推广至全宇宙的所有星系。
3. 推算出的时间约10亿年，指的是盘外围(边缘区域)气体围绕中心的绕转周期，不能直接理解为星系的自转周期。星系内的气体围绕中心绕转的周期并不相同，是较差自转的，一般来说，距离星系中心越远，绕转周期约长，即绕转得更慢。
这篇文章还有其它值得注意的结论，比如在最大半径处，样本中各个星系内，气体和恒星的质量面密度相似——约每平方秒差距中拥有0.5倍太阳质量。这表明，在外盘现有的恒星形成率下，形成现在外盘的恒星需要1500亿年，远超过宇宙的年龄，因此大部分恒星可能并不是在外盘形成，而是从内盘迁移或者从星系外吸积而来。最大半径与盘尺度之间的比值与盘的整体塌缩模型预言相一致，但仍然不确定的是，盘的尺度受什么过程决定，是连续的吸积、快速初始塌缩模型，被动演化还是这些过程的综合贡献？
致谢：感谢国家天文台的郑征老师和加州大学圣克鲁兹分校的博士后黄嵩提出的宝贵意见。
参考文献：
https://academic.oup.com/mnras/article/476/2/1624/4925565
作者单位：中国科学院上海天文台
(文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn)
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