「麥哲倫雲伴星系普查計畫」找到兩個矮星系

(中央研究院天文及天文物理研究所研究發表，時間: 臺北時間2018年4月19日，作者：Dr. Gabriel Torrealba)

銀河系像一扇窗，特別為我們能探索到宇宙中極微小超黯淡的星系而開啟。極微小星系非常暗，故而只有在和我們的距離小於數千秒差距（註1）以內，才有可能偵測到。根據「冷暗物質宇宙模型」（即ΛCDM）對宇宙形成結構的預測，這些極微小星系可能是宇宙間最早形成的初代星系，根據其運動特徵可知，這種星系完全受暗物質主導，不過，至今我們對暗物質來源卻仍一無所知。

此外，根據冷暗物質模型理論預測，宇宙形成在空間構造上應具階層式結構，階層式結構的適用範圍是宇宙間尺度較大的結構體，也就是質量範圍從星系團到超暗星系這個範圍間的天體。這意味著像大麥哲倫雲星系這樣的星系前來銀河系之時，應會夾帶本身的「伴星系」（又稱為衛星星系，satellite galaxies），且這些伴星系會散布在銀暈附近。重點是，若要印證此預測的話，因需要去觀測到的主角皆過於暗淡，所以宇宙中唯一能證實這預測的地方，僅限於在銀河系內而已。由此可知，對麥哲倫雲星系周圍的伴星系進行普查性觀測，相當有必要。

於是「麥哲倫雲伴星系普查計畫」（簡稱為MagLiteS，或參考註2）應運而生，它是以麥哲倫雲星系的伴星系為普查對象，而伴星系位置則在麥哲倫雲星系之外圍，那是到目前為止其他光度測量普查尚未探測的新領域。選定這個區域的理由是根據 Jethwa、Erkal、Belokurov （註3）等三位天文學家在2016年提出的理論，按他們估計，約有70個伴星系可能從大麥哲倫雲星系被帶到銀河系，且落腳處較可能更靠近大麥哲倫雲星系。

「麥哲倫雲伴星系普查計畫」所使用的觀測儀器是裝設在布蘭科4米望遠鏡上的「暗能量相機」（Dark Energy Camera），屬於美洲際天文台所有，地點在智利Cerro Tololo，該巡天計畫，預計能觀測靠近麥哲倫雲星系南邊約1200平方度大小的範圍。按照理論所預估，普查完成時應能新發現5個伴星系，且其中應有4個是原本便來自麥哲倫雲星系。

目前在大麥哲倫雲星系附近尋找其伴星系的計畫成果很不錯，不僅「暗能量相機普查計畫」已發現了幾個伴星系（註4，5），「麥哲倫雲伴星系普查計畫」也有進一步發現，但和原預期總產量，仍有一段差距。由中研院天文所Gabriel Torrealba主導的團隊，近期在這張搜尋伴星系的清單上增添了一對頗引人注意的伴星系（註6），所採方法是針對MagLiteS取得資料再加上系統化搜尋程序，藉此方式，這群天文學者識別出兩個相距只有18角分的恆星系統。這兩個分別獲命名為「Carina2」和「Carina3」的伴星系，在特徵方面符合「金屬量貧乏的古老恆星族」，和太陽距離分別是：36kpc、28kpc，估計可見光波段的絕對亮度各為-4.5和-2.4，將兩者各為90和30秒差距的直徑大小加進計算後，屬於所謂的「超暗星系」。圖一顯示這兩個伴星系的所在位置。特別說明：研究團隊製作此圖像時已將這兩塊區域的亮度強制放大40倍，否則圖中該區看來將是空無一物。

經後續加以光譜觀測證實，這兩個恆星系統是彼此相干的，兩者可能都是主要由暗物質構成的矮星系。儘管它們與船底座(Carina)矮星系距離上很近，然而考慮到它們與船底座的系統速度差異很大，大於200公里/秒，這意味著這兩個恆星系統與船底座矮星系直接相關的可能性極低。另一方面，二者的速度還顯示出它們是與大麥哲倫雲星系之伴星系一致（而非與銀河系之伴星系統一致），有可能目前尚未脫離大麥哲倫雲星系之重力束縛。

於是，藉這項發現，我們對銀河系周圍伴星系統已多增添了幾分認識，並得知由大麥哲倫雲星系所帶來之外來伴星系，可對銀河系周圍伴星系形成哪些影響，這項觀測結果還直接證實了對階層式結構的預測。此外，兩系統似乎是位於大小麥哲倫雲星系周圍的所謂「平面結構」（planar structure）中，範圍如圖2以虛線所標示。

如圖示的這個平面結構特徵明顯引人注意的是，厚度不到3kpc，但延展很長，從30 kpc 的星系範圍延伸到超過100kpc以外。目前陸續有證據顯示，宇宙中，轉動平面結構有可能相當普遍，但在模擬計算中卻相對罕見（註7），如果能在大小麥哲倫雲星系觀測到以同方向在轉動的平面結構，則或可證實這種結構其實存在於宇宙中質量範圍更廣泛的天體中，屆時也為此神秘疑團再添一些有趣的議題。

（原文撰述：Dr. Gabriel Torrealba 刊載於2018年4 月出版的美國國家光學天文臺半年刊，p.10~11，中文翻譯：黃珞文；校稿：周美吟博士）

註釋／相關參考連結：

1. kiloparsec，或kpc，是天文學上量度距離的單位，相當於3260光年

2. An Ultra-faint Galaxy Candidate Discovered in Early Data from the Magellanic Satellites Survey: Drlica-Wagner A., et al., 2016, ApJL, 833, L5

3. A Magellanic origin of the DES dwarfs: Jethwa P., Erkal D., and Belokurov V. 2016, MNRAS, 461, 2212

4. Eight Ultra-faint Galaxy Candidates Discovered in Year Two of the Dark Energy Survey: Drlica-Wagner A., et al. 2015, ApJ, 813, 109

5. Beasts of the Southern Wild: Discovery of Nine Ultra Faint Satellites in the Vicinity of the Magellanic Clouds: Koposov, S. E., et al. 2015, ApJ, 805, 130

6. Discovery of two neighbouring satellites in the Carina constellation with MagLiteS: Torrealba, G., et al. 2018, MNRAS, 475, 5085

7. A whirling plane of satellite galaxies around Centaurus A challenges cold dark matter cosmology: Müller, O., et al. 2018, Science, 359, 534