暗物質(zhì)拉動了最大的螺旋星系達到驚人的速度

當涉及星系時，速度有多快?銀河系是一個普通的螺旋星系，在我們太陽附近以每秒130英里(210公里/秒)的速度旋轉(zhuǎn)。新研究發(fā)現(xiàn)，最大質(zhì)量的旋渦星系旋轉(zhuǎn)得比預期的快。這些最大的“超級螺旋”比我們的銀河系重約20倍，其旋轉(zhuǎn)速度高達每秒350英里(570公里/秒)。

超級螺旋幾乎在所有方面都是例外。除了比銀河系大得多之外，它們的物理尺寸也更明亮，更大。與銀河系的100,000光年直徑相比，最大跨度為450,000光年。迄今為止，僅已知約100個超級螺旋。在研究斯隆數(shù)字天空測量(SDSS)以及NASA / IPAC星系外數(shù)據(jù)庫(NED)的數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)超級旋渦是重要的新型星系。

馬里蘭州巴爾的摩市太空望遠鏡科學研究所的帕特里克·奧格說：“從許多方面來說，超級螺旋都是極端的。” “他們打破了轉(zhuǎn)速記錄。”

Ogle是2019年10月10日發(fā)表在《天體物理學雜志快報》上的論文的第一作者。本文介紹了有關使用南半球最大的單光學望遠鏡南部非洲大型望遠鏡(SALT)收集的超級螺旋的旋轉(zhuǎn)速率的新數(shù)據(jù)。使用加州理工學院(California Institute of Technology)運營的帕洛瑪天文臺(Palomar Observatory)的5米海爾(Hale)望遠鏡獲得了其他數(shù)據(jù)。來自NASA的廣域紅外測量瀏覽器(WISE)任務的數(shù)據(jù)對于測量恒星中的星系質(zhì)量和恒星形成率至關重要。

南非開普敦大學的湯姆·賈瑞特(Tom Jarrett)在談到這項新研究時說：“這項工作很好地說明了星系的光學和紅外觀測之間的強大協(xié)同作用，并通過SDSS和SALT光譜揭示了恒星運動以及其他恒星特性，特別是通過WISE中紅外成像，可以發(fā)現(xiàn)宿主星系的恒星質(zhì)量或“主干”。”

理論表明，超級螺旋旋轉(zhuǎn)很快，因為它們位于暗物質(zhì)的令人難以置信的大云或光環(huán)中。數(shù)十年來，暗物質(zhì)一直與星系旋轉(zhuǎn)有關。天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)開創(chuàng)了銀河系自轉(zhuǎn)速度的研究，表明螺旋星系的旋轉(zhuǎn)速度要比重力僅由恒星和氣體引起的旋轉(zhuǎn)快。另一種稱為暗物質(zhì)的不可見物質(zhì)必須影響星系旋轉(zhuǎn)。給定質(zhì)量的恒星的螺旋星系有望以一定的速度旋轉(zhuǎn)。Ogle的團隊發(fā)現(xiàn)超級螺旋線大大超過了預期的旋轉(zhuǎn)速度。

超螺旋也存在于大于平均暗物質(zhì)暈的區(qū)域。Ogle測得的最大質(zhì)量暈圈中含有足夠多的暗物質(zhì)，其重量至少是太陽的40萬億倍。那樣數(shù)量的暗物質(zhì)通常將包含一組星系，而不是單個星系。

奧格解釋說：“看來，星系的自旋是由其暗物質(zhì)暈的質(zhì)量決定的。”

超螺旋打破了恒星中星系質(zhì)量與自轉(zhuǎn)速率之間通常的關系，這一事實是反對另一種引力理論的新證據(jù)，該理論被稱為修正牛頓動力學或MOND。MOND提出，在像銀河系和星系團這樣的最大尺度上，重力要比牛頓或愛因斯坦所預測的稍強。例如，這將導致螺旋星系的外部區(qū)域旋轉(zhuǎn)得比根據(jù)其在恒星中的質(zhì)量所預期的旋轉(zhuǎn)得更快。MOND旨在重現(xiàn)螺旋旋轉(zhuǎn)速率的標準關系，因此無法解釋超螺旋等異常值。超級螺旋觀測表明不需要非牛頓動力學。

盡管超旋渦是宇宙中質(zhì)量最高的旋渦星系，但與其中所含暗物質(zhì)的數(shù)量相比，超旋渦實際上在恒星中的重量不足。這表明大量的暗物質(zhì)抑制了恒星的形成?？赡苡袃蓚€原因：1)被吸入銀河系的任何其他氣體會一起崩潰并變熱，阻止其冷卻并形成恒星，或者2)銀河系的快速旋轉(zhuǎn)使得氣體云更難以塌陷離心力的影響。

奧格說：“這是我們第一次發(fā)現(xiàn)像它們一樣大的螺旋星系。”

盡管有這些破壞性的影響，但超級螺旋仍然能夠形成恒星。盡管最大的橢圓星系在100億年前形成了全部或大部分恒星，但超級旋渦仍在形成恒星。它們每年將太陽質(zhì)量的30倍轉(zhuǎn)換成恒星，這對于一個如此大小的星系來說是正常的。相比之下，我們的銀河系每年約形成一個太陽質(zhì)量的恒星。

Ogle和他的團隊提出了其他觀測結(jié)果，以幫助回答有關超螺旋的關鍵問題，包括旨在更好地研究其盤中氣體和恒星運動的觀測。在2021年發(fā)射后，NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可以研究更遠距離和相應年齡的超級螺旋，以了解它們?nèi)绾坞S著時間演變。NASA的WFIRST任務可能會幫助定位更多的超級螺旋，這要歸功于其超大的視野。