第11章 本星系群 (5/14)

直径：约120万光年；

质量：约1.2x1012倍太阳质量；

密度分布：中心密度更高（p?

≈

1.5x10?2?克\/立方厘米），因为仙女座的质量更大，引力更强。

3.3

卫星星系的暗物质晕：“小而弱”的附属结构

卫星星系（如小麦哲伦云、大麦哲伦云）也有自己的暗物质晕，但质量小得多：

小麦哲伦云的暗物质晕：质量约1x101?倍太阳质量，直径约10万光年；

大麦哲伦云的暗物质晕：质量约2x101?倍太阳质量，直径约15万光年。

这些小晕被银河系或仙女座的大晕“捕获”，成为它们的“卫星暗晕”——就像月亮绕着地球转，地球绕着太阳转，暗晕也绕着巨头的暗晕转。

四、暗物质“导演”的星系演化：本星系群的形成与未来

暗物质不是“旁观者”，而是本星系群演化的“主角”。从星系的形成到碰撞，每一步都有暗物质的“剧本”：

4.1

早期宇宙：暗物质晕先“出生”

根据宇宙结构形成理论，早期宇宙（大爆炸后1亿年）中，暗物质因为引力先坍缩，形成“暗物质晕”——这些晕是宇宙中的“种子”，吸引气体聚集，形成可见星系。

本星系群的两个巨头（银河系、仙女座），就是来自两个大暗物质晕的合并：

银河系的暗物质晕，是由多个小暗晕合并而成的；

仙女座的暗物质晕，也是由多个小暗晕合并而成的。

4.2

星系碰撞：暗物质的“引力交融”

银河系与仙女座的碰撞，本质上是两个暗物质晕的合并：

第一阶段（0-10亿年）：两个暗晕开始接触，引力相互作用，扰动彼此的可见星系——银河系的旋臂被仙女座的引力拉长，仙女座的气体云被银河系的潮汐力撕裂；

第二阶段（10-30亿年）：两个暗晕的核心（包含超大质量黑洞）开始融合，形成一个更大的暗晕；

第三阶段（30-45亿年）：两个暗晕完全合并，形成一个直径约200万光年的巨大暗晕——这就是milkomeda星系的暗物质晕。

4.3

卫星星系的命运：被暗晕“吞噬”

小麦哲伦云、大麦哲伦云等卫星星系，最终会被银河系或仙女座的暗晕“吞噬”：

小麦哲伦云的轨道正在缩小，预计10亿年后会被银河系合并；

大麦哲伦云的轨道也在缩小，预计20亿年后会被银河系合并。

这些卫星星系的暗晕，会融入巨头的暗晕中，成为milkomeda暗晕的一部分。

五、未解之谜：暗物质的本质与本星系群的终极命运

尽管我们绘制了暗物质的“地图”，但它的本质依然是宇宙最大的谜题之一。而本星系群的观测，为我们提供了寻找答案的线索：

5.1

暗物质的本质假说：wimp、轴子还是其他？

当前，暗物质的主要假说有三个：

wimp（弱相互作用大质量粒子）：最流行的假说，认为暗物质是由弱相互作用的大质量粒子组成，质量约10-1000

gev\/c2。本星系群的暗物质晕结构，符合wimp的“冷暗物质”（cdm）模型——因为wimp的相互作用弱，容易形成大晕；

轴子（axion）：一种极轻的粒子（质量约10??

ev\/c2），由量子色动力学（qcd）的“强cp问题”预言。轴子可以形成“玻色-爱因斯坦凝聚”，解释暗物质晕的“核心结构”（即暗物质晕中心密度不上升）；

sterile中微子：一种不参与弱相互作用的中微子，质量约1-10

kev\/c2。它可以解释暗物质晕的“小尺度结构”（如卫星星系的分布）。

5.2

本星系群的观测对假说的限制

本星系群的观测，正在缩小暗物质假说的范围：

wimp的限制：如果wimp的质量太大（＞1000

gev\/c2），那么暗物质晕的中心密度会太高，与观测不符；如果质量太小（＜10

gev\/c2），则无法形成大晕；