欧洲航天局“盖亚”卫星的数据正在改写我们银河系的历史。近期，来自欧洲和中国的天文学家计算了银河系周围40个矮星系的运动，发现它们很可能是首次来到银河系附近，而非“卫星”，这可能对暗物质理论提出挑战。
银河系周围的矮星系（来源：ESA/Gaia/DPAC， CC BY-SA 3.0 IGO）
我们的银河系被大约50个矮星系所包围，其中有两个特别出名，在南半球的天空中仅凭肉眼就能看到，即大麦哲伦云星系（LMC）和小麦哲伦云星系（SMC），其他大多数只能通过望远镜识别，通常会以其所在的星座命名（如天龙座矮星系、玉夫座矮星系、狮子座矮星系等）。
所谓“矮”，是指这些星系体量比较小，光度比较低，通常由数千到数十亿颗恒星组成（银河系由数千亿颗恒星组成）。传统上，我们认为这些矮星系是环绕银河系运行的卫星星系。然而，现在，来自欧空局“盖亚”卫星的最新数据显示，大多数矮星系恐怕是第一次经过银河系。这颠覆了以往的认知，迫使天文学家重新考虑银河系形成及演化的历史，以及这些矮星系本身的性质和组成。
大麦云和小麦云（来源：exploringnightsky.com）
有赖于“盖亚”极高的观测精度，我们可以对这些矮星系进行前所未有的精确计算。来自欧洲和中国的一个研究团队观察了银河系周围40个矮星系的运动，计算了每个星系的三维速度，从而推演其轨道能量和角动量。他们发现，这些星系的运动速度比已知围绕银河系运行的巨星和星团要快得多，如果从经典力学的角度来思考问题，这样的速度会导致它们不可能绕银河系作轨道运动，至少暂时还不能。随着与我们的银河系及银河系内的物质发生相互作用，它们的轨道能量和角动量会得到显著削弱。降到一定程度，就有可能变成卫星星系了。
银河系中的部分矮星系（来源：ESA/Gaia/DPAC， CC BY-SA 3.0 IGO）
这个发现与我们对大麦哲伦星系的理解是一致的。它也曾被认为是银河系的一个卫星星系。直到21世纪初，天文学家测量了它的运动速度，发现它的速度太快了，无法被银河系的引力束缚，因此大麦云很可能是首次来到银河系附近，而不是围绕银河系转动，如果是这样，那就不太符合传统意义上“卫星”的概念了。现在看来，大多数矮星系也是如此，它们是在过去数十亿年中才来到我们附近的。
保持高速运动的矮星系到底是“卫星”还是“首次访客”呢？不同的思维可是会引爆一个大问题的！
理论上没有暗物质的星系中（左），外围物质的运动速度比较慢；只有包含暗物质，外围物质才能保持高速旋转（右）（来源：Wikimedia Commons）
如果按照传统的认识，即矮星系是银河系的卫星星系，那么它们必须依靠一种神秘力量才能让自己以高速绕行，那就是——暗物质。暗物质是一种神秘的物质，天文学家认为它存在于宇宙中，尤其是星系和星系团中，它提供了额外的引力，将星系中的恒星、气体、尘埃等物质聚集在一起。这样的思路下，必须要求矮星系含有暗物质，才能平衡银河系的引力。
如果换一种思维，假如矮星系本身并未绕银河系运动，而只是首次造访，那么即便没有暗物质，也是讲得通的。只不过，很可能它们当中的大部分都不会成为卫星星系。
当前大多天文学家认为银河系外围有着巨大的暗物质晕，数十个矮星系都被包裹其中绕银河系运动。（来源：Robert Caldwell & Marc Kamionkowski， Nature 458， 587-589 （2009））
但是，有一点需要注意，根据大量的现实案例，我们几乎可以确信，在过往的100多亿年里，银河系曾吞噬过许多矮星系。换句话说，银河系是在不断的“大鱼吃小鱼”的过程中逐渐长大的。例如，科学家认为在80-100亿年前，一个名为盖亚-恩克拉多斯（Gaia-Enceladus）的矮星系被银河系吞并，它的恒星拥有特定的轨道偏心率和速度，至今还可以在“盖亚”数据中识别出来。而就在最近，大约在40-50亿年前，人马座矮星系被银河系捕获，目前正处于被撕碎融合的过程中。而其中恒星的轨道能量（速度）高于盖亚·恩克拉多斯，这表明它们受到银河系影响的时间更短。
艺术家描绘的人马座矮星系（左侧球状部分）在银河系引力作用下产生四条星流（来源：University of Cambridge/Amanda Smith）
意思是，如果没有暗物质，那么又是谁能让这些矮星系的速度降下来，如何才能让银河系演化成今天这个模样呢？恐怕现实会很残酷——银河系正在凭借其强大的引力吸引矮星系来到自己身边，并且试图撕碎它们，吃掉它们！
这些矮星系未来的命运会怎样？银河系过去曾经历过什么？这些问题难道真的要等待暗物质来回答吗？
参考资料：
Gaia reveals that most Milky Way companion galaxies are newcomers to our corner of space
（https：//www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Gaia_reveals_that_most_Milky_Way_companion_galaxies_are_newcomers_to_our_corner_of_space）
本文转自天文茶餐厅
