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5、蜘蛛星云
它是什么？
正在孕育恒星的星云
它在哪里？
距离我们16.3万光年的大麦哲伦星云
涉及的谜团
是什么制造了那些巨恒星？
蜘蛛星云是一个正在孕育恒星的星云，位于我们的相邻星系——大麦哲伦星云里。2010年，一个天文学家小组在蜘蛛星云中发现了4颗巨恒星，最大的达到了太阳质量的265倍。这让他们非常惊讶。因为按传统的恒星演化理论，150个以上太阳质量的恒星是不存在的。
为什么这样的恒星不应该存在呢？我们知道，恒星的光是在其内部的核聚变中产生的。它们本来都有很高的能量，在往外逃的过程中，与恒星的外围大气相互作用，一部分变成能量不那么高的可见光。我们知道光是由光子组成的。光子跟物质作用时，会对物质产生一个压力，叫“光压”。你可以把光子想象成一个个小球，当小球撞到墙壁，对墙壁会有压力，是不是？如果恒星质量很大，内部核聚变非常剧烈，产生的光子能量很高，数量又特别多，它们对恒星外围大气产生的压力将很大，会把外围大气吹走，离开恒星。于是，恒星的质量马上就降下来了。
但现在他们看到的是太阳质量265倍的巨恒星，而且这还不是单例。2017年，另一组天文学家在蜘蛛星云中发现了一大群超级重的恒星。在它们里面，即使是高达200个太阳质量的恒星，似乎也只能算“小老弟”。
无独有偶。另一项发现也对传统的恒星演化理论构成挑战。在智利ALMA射电望远镜阵列工作的一个天文学家小组，他们在婴儿期宇宙的星系中，通过一种方法，也发现了传统理论预言本不该存在的巨恒星。
这些发现不单迫使我们建立一套新的恒星演化理论，而且在很多方面带来深远的影响。
更多、更大的恒星意味着恒星生命结束时会有更多超新星爆发。因为不是所有恒星都能以超新星爆发的形式结束自己的生命的。超新星爆发需要满足一些条件。超新星爆发的一种机制是恒星内部核聚变停止后，在引力作用下坍塌成中子星或黑洞时发生的。显然，恒星质量越大，最后越有可能坍塌成中子星或黑洞。天文学家已有证据证明，10亿光年之外的超新星SN 2007bi，是由一颗超过200个太阳质量的恒星演化而来的。他们估计，因为更多巨恒星的存在，超新星数量会比现在估计的要多70%。
拥有更多的超新星可以使宇宙中那些对生命至关重要的重元素（氧、碳和铁等）大幅度增加，这些元素随着超新星爆发被撒播到宇宙各处。这样以来，外星生命存在的概率就增加了。
此外，最近天文学家捕捉到第一代恒星发出的光信号。他们发现，信号比他们预期的要强烈得多，这使科学家们大惑不解。但如果这些第一代恒星也是超大号巨恒星的话，那么它们发出的光自然要比普通恒星强了。这样天文学家心中的疑惑也就迎刃而解了。
6、星系NGC 1052-DF2
它是什么？
超稀疏的星系
它在哪里？
在距离我们6千万光年的鲸鱼座
涉及的谜团
暗物质真的存在吗？
对宇宙的探讨，就像两军对垒的一个战场。宇宙学家为此分成两派，两派为一个“是什么阻止了旋转星系分崩离析”的问题，而陷入了旷日持久的争论。
1970年代，这场争论就开始了。当时，天文学家对旋转星系测量后发现，它们似乎旋转地太快了，星系内的物质本来应该是留不住的。因为我们知道，旋转物体如果没有足够的向心力，就要飞出去。在一个旋转星系中，向心力是星系中心的万有引力提供的，引力大小则取决于星系的质量。天文学家猜测，对于大多数旋转星系，为了避免分崩离析，大约需要比现在已探测到的多10～100倍的物质。
但这些多余的物质实际上并没有被直接探测到。解决这一矛盾目前有两种途径。最直接的，也是被大多数人接受的解释是：这些星系中存在一种迄今还很神秘的物质——“暗物质”。暗物质跟普通物质之间有万有引力作用，所以它们可以为旋转星系提供额外的向心力。但它们跟普通物质之间没有电磁力，不会发光，所以我们无法直接观测到它们。
但也有少数人认为，暗物质是一种错觉。旋转星系能保持它们的形状，是因为我们还没有正确地理解万有引力。
怎么？牛顿提出万有引力定律都几百年了，难道物理学家还没把引力研究透吗？一部分天文学家确实是这样认为的。比如牛顿万有引力定律说，引力与距离的平方成反比，但这一点是否正确？也许引力与距离的2.0000000001次方或者1.999999999次方成反比呢？这一点微小的差别，虽然距离近时显不出效果来，但距离远了，说不定效果就出来了。为此，一些科学家还提出过很多“修正版”的引力理论。
其实这两派宇宙学家的主张都很悬。这么多年过去了，既没发现暗物质粒子，也没发现引力确实需要修正的地方，两派谁也不服谁。但今年早些时候发现的一个超稀疏的星系NGC 1052-DF2，似乎使天平不平衡起来。
一般来说，如果有暗物质的话，它们都盘踞在星系的中心区域。它们靠引力吸聚普通物质，使后者的分布也不至于太稀疏。所以，像NGC 1052-DF2这样超级稀疏的星系，基本上可以肯定星系内部不存在暗物质。有一种情况可以制造出这类星系来，比如一些本含有暗物质的星系团发生剧烈碰撞，会把星系团内的普通物质碰撞出来了，脱离暗物质的控制。这就好比两车相撞一样。暗物质车上装的货物是普通物质，相撞时，一些货物脱离车辆，被甩到地上去了。
确实，天文学家发现，超稀疏星系NGC 1052-DF2就是这样一个脱离了暗物质的旋转星系。在假设它不含暗物质的情况下，用正常的引力定律计算所得的旋转速度，跟测量到的速度十分吻合。但如果按另一派宇宙学家的观点，用修正版的引力理论计算，那就跟测量结果不符了。
既然目前争论方只有两派，现在事实对“修正引力”一派不利，那也就证明了主张“存在暗物质”那一派的观点更合理。所以，虽然NGC 1052-DF2星系本身不含暗物质，但它恰恰成了主张“存在暗物质”那一派的宇宙学家用来反驳另一派宇宙学家的最好证据。
但是，“修正引力”一派后来又把天平扳回来了。他们说，最初计算的时候，有一些情况没考虑到，比如NGC 1052-DF2星系事实上处于一个更大的椭圆星系中，椭圆星系中的其他物质对它内部的引力也是有影响的;如果考虑到这一点，用“修正”后的引力理论计算，就能跟测量结果保持一致。
于是，两派又打了一个平手。
但事情总不能老是这样僵持下去吧，天文学家希望未来能找到更多的超稀疏星系，来验证两者的對错。
它是什么？
正在孕育恒星的星云
它在哪里？
距离我们16.3万光年的大麦哲伦星云
涉及的谜团
是什么制造了那些巨恒星？
蜘蛛星云是一个正在孕育恒星的星云，位于我们的相邻星系——大麦哲伦星云里。2010年，一个天文学家小组在蜘蛛星云中发现了4颗巨恒星，最大的达到了太阳质量的265倍。这让他们非常惊讶。因为按传统的恒星演化理论，150个以上太阳质量的恒星是不存在的。
为什么这样的恒星不应该存在呢？我们知道，恒星的光是在其内部的核聚变中产生的。它们本来都有很高的能量，在往外逃的过程中，与恒星的外围大气相互作用，一部分变成能量不那么高的可见光。我们知道光是由光子组成的。光子跟物质作用时，会对物质产生一个压力，叫“光压”。你可以把光子想象成一个个小球，当小球撞到墙壁，对墙壁会有压力，是不是？如果恒星质量很大，内部核聚变非常剧烈，产生的光子能量很高，数量又特别多，它们对恒星外围大气产生的压力将很大，会把外围大气吹走，离开恒星。于是，恒星的质量马上就降下来了。
但现在他们看到的是太阳质量265倍的巨恒星，而且这还不是单例。2017年，另一组天文学家在蜘蛛星云中发现了一大群超级重的恒星。在它们里面，即使是高达200个太阳质量的恒星，似乎也只能算“小老弟”。
无独有偶。另一项发现也对传统的恒星演化理论构成挑战。在智利ALMA射电望远镜阵列工作的一个天文学家小组，他们在婴儿期宇宙的星系中，通过一种方法，也发现了传统理论预言本不该存在的巨恒星。
这些发现不单迫使我们建立一套新的恒星演化理论，而且在很多方面带来深远的影响。
更多、更大的恒星意味着恒星生命结束时会有更多超新星爆发。因为不是所有恒星都能以超新星爆发的形式结束自己的生命的。超新星爆发需要满足一些条件。超新星爆发的一种机制是恒星内部核聚变停止后，在引力作用下坍塌成中子星或黑洞时发生的。显然，恒星质量越大，最后越有可能坍塌成中子星或黑洞。天文学家已有证据证明，10亿光年之外的超新星SN 2007bi，是由一颗超过200个太阳质量的恒星演化而来的。他们估计，因为更多巨恒星的存在，超新星数量会比现在估计的要多70%。
拥有更多的超新星可以使宇宙中那些对生命至关重要的重元素（氧、碳和铁等）大幅度增加，这些元素随着超新星爆发被撒播到宇宙各处。这样以来，外星生命存在的概率就增加了。
此外，最近天文学家捕捉到第一代恒星发出的光信号。他们发现，信号比他们预期的要强烈得多，这使科学家们大惑不解。但如果这些第一代恒星也是超大号巨恒星的话，那么它们发出的光自然要比普通恒星强了。这样天文学家心中的疑惑也就迎刃而解了。
6、星系NGC 1052-DF2
它是什么？
超稀疏的星系
它在哪里？
在距离我们6千万光年的鲸鱼座
涉及的谜团
暗物质真的存在吗？
对宇宙的探讨，就像两军对垒的一个战场。宇宙学家为此分成两派，两派为一个“是什么阻止了旋转星系分崩离析”的问题，而陷入了旷日持久的争论。
1970年代，这场争论就开始了。当时，天文学家对旋转星系测量后发现，它们似乎旋转地太快了，星系内的物质本来应该是留不住的。因为我们知道，旋转物体如果没有足够的向心力，就要飞出去。在一个旋转星系中，向心力是星系中心的万有引力提供的，引力大小则取决于星系的质量。天文学家猜测，对于大多数旋转星系，为了避免分崩离析，大约需要比现在已探测到的多10～100倍的物质。
但这些多余的物质实际上并没有被直接探测到。解决这一矛盾目前有两种途径。最直接的，也是被大多数人接受的解释是：这些星系中存在一种迄今还很神秘的物质——“暗物质”。暗物质跟普通物质之间有万有引力作用，所以它们可以为旋转星系提供额外的向心力。但它们跟普通物质之间没有电磁力，不会发光，所以我们无法直接观测到它们。
但也有少数人认为，暗物质是一种错觉。旋转星系能保持它们的形状，是因为我们还没有正确地理解万有引力。
怎么？牛顿提出万有引力定律都几百年了，难道物理学家还没把引力研究透吗？一部分天文学家确实是这样认为的。比如牛顿万有引力定律说，引力与距离的平方成反比，但这一点是否正确？也许引力与距离的2.0000000001次方或者1.999999999次方成反比呢？这一点微小的差别，虽然距离近时显不出效果来，但距离远了，说不定效果就出来了。为此，一些科学家还提出过很多“修正版”的引力理论。
其实这两派宇宙学家的主张都很悬。这么多年过去了，既没发现暗物质粒子，也没发现引力确实需要修正的地方，两派谁也不服谁。但今年早些时候发现的一个超稀疏的星系NGC 1052-DF2，似乎使天平不平衡起来。
一般来说，如果有暗物质的话，它们都盘踞在星系的中心区域。它们靠引力吸聚普通物质，使后者的分布也不至于太稀疏。所以，像NGC 1052-DF2这样超级稀疏的星系，基本上可以肯定星系内部不存在暗物质。有一种情况可以制造出这类星系来，比如一些本含有暗物质的星系团发生剧烈碰撞，会把星系团内的普通物质碰撞出来了，脱离暗物质的控制。这就好比两车相撞一样。暗物质车上装的货物是普通物质，相撞时，一些货物脱离车辆，被甩到地上去了。
确实，天文学家发现，超稀疏星系NGC 1052-DF2就是这样一个脱离了暗物质的旋转星系。在假设它不含暗物质的情况下，用正常的引力定律计算所得的旋转速度，跟测量到的速度十分吻合。但如果按另一派宇宙学家的观点，用修正版的引力理论计算，那就跟测量结果不符了。
既然目前争论方只有两派，现在事实对“修正引力”一派不利，那也就证明了主张“存在暗物质”那一派的观点更合理。所以，虽然NGC 1052-DF2星系本身不含暗物质，但它恰恰成了主张“存在暗物质”那一派的宇宙学家用来反驳另一派宇宙学家的最好证据。
但是，“修正引力”一派后来又把天平扳回来了。他们说，最初计算的时候，有一些情况没考虑到，比如NGC 1052-DF2星系事实上处于一个更大的椭圆星系中，椭圆星系中的其他物质对它内部的引力也是有影响的;如果考虑到这一点，用“修正”后的引力理论计算，就能跟测量结果保持一致。
于是，两派又打了一个平手。
但事情总不能老是这样僵持下去吧，天文学家希望未来能找到更多的超稀疏星系，来验证两者的對错。