眾所周知，我們的地球在宇宙中并不是靜止的。它以平均每秒 29.78 千米的速度環繞著太陽運轉。而太陽系也以平均每秒 220 千米的速度在銀河系中飛馳。不過，我們卻從未對其有過絲毫感知。

　　在我們的宇宙中，當你觀測的尺度越大， 事情總是會越發令人驚奇。根據一個國際天文學家團隊最新的研究成果，宇宙中質量最大的那些“超旋渦星系”自轉的速度是銀河系的兩倍。天文學家認為，導致如此高速旋轉的原因是包裹在這些星系周圍的巨大的暗物質暈。

　　這一研究成果發表在了最近的《天文物理期刊通訊》上。該國際團隊的天文學家們來自加州理工學院，太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute, STSI)，開普敦大學，新澤西大學，斯威本理工大學等。

一些超旋渦星系。Credit: NASA/ESA/P. Ogle/J. DePasquale (STSI)(上排);SDSS/P. Ogle/J. DePasquale (STSI)(下排)

　　超旋渦星系對天文學家來說是一種較新的現象，天文學家只有從斯隆數字巡天(Sloan Digital Sky Survey， SDSS)和 NASA/IPAC 外銀河系數據庫所記載的數據中找到過它們的身影。到目前為止，天文學家總共只發現了 100 個左右的超旋渦星系，但從我們現有的觀測結果來看，這些天體有著非常與眾不同的特性。

　　除了比銀河系大了許多之外，這些超旋渦星系還更亮，并且包含更多恒星。在所有已知的超旋渦星系中，最大的一個直徑足有 45 萬光年(銀河系直徑只有 10 萬光年)，質量約是銀河系的 20 倍。據太空望遠鏡科學研究所的研究成果，它們除了以上特性外，還擁有更高的旋轉速度。

　　在本次研究中，天文學家主要使用了南非大望遠鏡(Southern African Large Telescope, SALT)所收集的 23 個已知超旋渦星系的旋轉曲線數據。此外，帕洛馬山天文臺的 5 米口徑海爾望遠鏡也提供了額外觀測數據，而 NASA 的廣域紅外線巡天探測衛星(Wide-field Ingrared Survey Explorer, WISE)更是提供了有關星系質量和恒星生成速率等重要信息。

　　正如開普敦大學的研究員 Tom Jarrett 評價道：

　　“這次的研究成果很好地展示了星系觀測在可見光波段和紅外線波段之間的相輔相成，斯隆數字巡天和南非大望遠鏡揭示了星體的運動，而廣域紅外線巡天探測衛星在中紅外波段的觀測則確定了星系的其他一些特征，如質量和整體結構等。”

NASA 的一些超旋渦星系的存檔圖片。Credit: SDSS

　　研究人員發現，這些超旋渦星系的旋轉速度遠高于銀河系，其中最快的旋轉速度達到每秒 570 千米，幾乎是銀河系的三倍快(由于暗物質的存在，星系在除了非常靠近核心的區域外，任一半徑上的旋轉線速度是相當的)。除此之外，研究人員發現這些超旋渦星系的旋轉速度遠超它們其中的恒星，氣體，塵埃等物質的質量能造成的旋轉速度，這與天文學家幾十年來的觀測結果是相一致的，暗示了這些超旋渦星系中大量暗物質的存在。

　　銀河系的旋轉速度曲線。與恒星系等系統不同，在星系中，除了非常靠近核心的區域外，任一半徑上的旋轉線速度是相當的。圖中橫坐標是到銀心的距離(單位：光年)，縱坐標是旋轉線速度(單位：千米/秒)。Credit: Addison Wesley/University of Arizona

　　“超旋渦星系在許多方面都是極端的。它們打破了在此之前的旋轉速度記錄。”太空望遠鏡科學研究所的 Patrick Ogle，本次研究的主要成員說道，“研究成果似乎表明星系的自旋是由圍繞它的暗物質暈的質量決定的…這是我們第一次發現幾乎接近極限大小的旋渦星系。”

　　Ogle 和他的同事們最終判定這些超旋渦星系中有著大于平均值的暗物質暈。事實上，Ogle 和他的同事們估計這些超旋渦星系中最大的暗物質暈有著接近 40 萬億倍太陽質量。天文學家通常會期望在一個星系群附近發現這么多暗物質，而不是單單一個星系。

　　這次研究又一次對那些試圖修改重力模型以否定暗物質存在的理論提出了反擊。在這些理論中，最有名的是修正牛頓動力學(Modified Newtonian Dynamics, MOND)。這個理論提出，在宇宙里那些質量最大的結構中(星系，星系團等)，重力效應會比我們現在所認為的強一些。

　　宇宙在第 30 億年左右時的暗物質分布，由星系形成的數值模型給出。Credit: VIRGO Consortium/Alexandre Amblard/ESA

　　但是，修正牛頓動力學并不能解釋我們觀測到的這些超旋渦星系極高的旋轉速度，這意味著非牛頓動力學是必需的。另外一個重要的觀測結果是，盡管有著相當巨大的暗物質暈，這些超旋渦星系所含有的恒星數量遠低于天文學家的預期。這可能暗示了過多的暗物質存在可以抑制恒星形成。

　　研究團隊給出了兩種可能的解釋。其一，被吸進星系的額外氣體由于星系的高速旋轉而升溫，導致冷卻并堆積成恒星的可能性降低。其二，高速旋轉本身對于氣體云的形成和堆積就是具有干擾性的。

　　盡管如此，我們觀測到的任何一個超旋渦星系還是有著恒星形成的能力：每年可以形成總質量約 30 倍太陽質量的恒星(這速率比銀河系高出 30 倍)。在將來，Ogle 和他的團隊希望可以對這些超旋渦星系做出更多觀測，以便學習其中氣體和恒星的運動。

　　這些有關超旋渦星系的問題很有可能可以由下一代天文觀測儀器做出解答，如詹姆斯韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST)和廣域紅外線太空望遠鏡(Wide-Field Infrared Space Telescope, WFIRST)等。一旦部署，這些望遠鏡可以觀測更多更遠的超旋渦星系，換句話說，我們可以了解它們更早期的狀態。
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