宇宙调查数据显示，银河系在类似星系中是一个异常现象
几十年来，科学家一直以银河系作为理解星系形成过程的模型。但三项新研究提出了一个问题：银河系是否真正代表了宇宙中的其他星系。“银河系是一个令人难以置信的物理实验室，包括星系形成物理学和暗物质物理学，”人文科学教授、人文科学学院物理学教授丽莎·韦克斯勒说。“但银河系只是一个系统，可能不是其他星系形成的典型。这就是为什么找到类似的星系并进行比较至关重要。”
为了实现这一目标，韦克斯勒共同创立了星系类似卫星（SAGA）调查项目，致力于比较质量与银河系相似的星系。
经过十多年的宇宙扫描，SAGA 团队识别并研究了 101 个类似银河系的星系，这是其正在进行的研究的第一步。研究结果发表在 11 月 18 日出版的《天体物理学杂志》上的三项研究中，揭示了银河系的演化历史在许多方面都不同于其他类似大小的星系。
“我们的研究结果表明，我们不能将星系形成模型仅仅局限于银河系，”韦克斯勒说，他也是 SLAC 国家加速器实验室的粒子物理学和天体物理学教授。“我们必须研究整个宇宙中类似星系的完整分布。”
除了韦克斯勒，SAGA 项目还由耶鲁大学的 Marla Geha 教授和韦克斯勒在斯坦福大学的前博士生、现犹他大学助理教授毛耀元领导。这三人都是新发表研究的共同作者。
暗物质之谜
银河系由普通原子物质组成，例如氢和铁。但普通物质仅占宇宙物质的 15% 左右。其余 85% 是神秘的、看不见的暗物质。
“没人知道暗物质是由什么构成的，”韦克斯勒说。“它不与普通物质或光相互作用。现在可能就有暗物质在你体内运行，而你却不知道。”
研究表明，星系形成于被称为“光晕”的大量暗物质区域内。暗物质光晕可能是看不见的，但其巨大的尺寸产生的引力足以将太空中的普通物质拉进来，并将其转化为恒星和星系。
SAGA 调查的一个主要目标是确定暗物质晕如何影响星系演化。首先，SAGA 团队专注于星系卫星——围绕银河系等大得多的宿主星系运行的小星系。
研究人员发现了银河系最亮的四个卫星星系，包括两个最大的卫星星系，即大麦哲伦星云和小麦哲伦星云（LMC 和 SMC）。随后，科学家们对其他质量相似的宿主星系周围的卫星星系进行了艰苦的搜索。利用望远镜成像，他们最终发现了围绕 101 个类似银河系的宿主星系的 378 个卫星星系。
“之前没有人尝试过这个是有原因的，”韦克斯勒说。“这是一个非常雄心勃勃的项目。我们必须使用巧妙的技术，从背景中的数千个物体中筛选出这 378 个轨道星系。这真是一个大海捞针的问题。”
新发现
在三项新的 SAGA 研究之一中，研究人员发现每个主星系的卫星数量范围为 0 至 13。银河系的四颗可观测卫星就位于该范围内。
研究还显示，拥有大型卫星的宿主星系（大小与银河系巨大的 LMC 和 SMC 星系相似）总体上往往拥有更多卫星。但实际上银河系拥有的卫星数量比类似星系要少，这使其成为同类星系中的异类。
第二项研究关注的是卫星星系中的恒星形成——这是了解星系如何演化的重要指标。研究发现，在典型的宿主星系中，较小的卫星星系仍在形成恒星。但在银河系中，恒星形成只发生在巨大的 LMC 和 SMC 卫星星系中。所有较小的卫星星系都已停止形成恒星。
“现在我们有一个难题，”韦克斯勒说。“银河系中是什么原因导致这些小型低质量卫星星系的恒星形成停止？也许，与典型的宿主星系不同，银河系拥有独特的组合，既有已停止恒星形成的较老卫星星系，也有最近才落入银河系暗物质晕的较新的活跃卫星星系——大麦哲伦星系和小麦哲伦星系。”
研究还发现，恒星形成通常会在靠近宿主星系的卫星星系中停止，这可能是因为宿主星系内部和周围暗物质晕的引力。
韦克斯勒说：“对我来说，前沿研究是弄清楚暗物质在比银河系更小的尺度上的作用，就像围绕这些小卫星的较小的暗物质晕一样。”
第三项研究由斯坦福大学博士生王云冲“Richie”领导，将新数据与计算机模拟进行比较，并呼吁开发一种部分基于 SAGA 调查的新星系形成模型。
“SAGA 提供了一个基准，通过详细研究银河系以外系统中的卫星星系，我们可以进一步了解宇宙，”韦克斯勒说。“虽然我们完成了绘制 101 个宿主星系中明亮卫星星系的初始目标，但还有很多工作要做。”
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