○半人马座A星系（银河系周围最近的活跃星系）的综合视图。在这个星系周围观测到16个卫星星系，其中14个卫星星系看似乎在一个平面上共同旋转，与冷暗物质的模拟预期不同。| 图片来源： ESO/WFI; MPIfR/ESO/APEX; NASA/CXC/CfA/
科学家对宇宙是如何形成，又是如何演化至今天的结构已经有了很好的理解。假如爱因斯坦的
广义相对论在所有的尺度都适用，那么从
宇宙微波背景辐射到单独星系动力学的观测数据都指向了一个由
暗能量（爱因斯坦场方程中的宇宙学常数 Λ）和
冷暗物质（CDM）支配的宇宙。将这些知识合并在一起便是标准宇宙学模型：
ΛCDM。
尽管该模型在预测和观测方面都获得了巨大的成功，但科学家一直在努力寻找超越ΛCDM的模型，因为它面临了一些显而易见的理论问题，比如宇宙学常数问题、广义相对论在大尺度的有效性和CMB在小尺度的异常等等。当然，究竟什么是暗物质和暗能量是当今物理学最大的问题。此外，科学家偶尔也会观测到一些可能破坏这一可贵模型的现象。
2月2日，一篇发表在《科学》杂志的新研究就指出，在邻近的椭圆星系半人马座A的周围环绕着一些“矮卫星星系”（较小的星系），它们在寄主星系周围的一个平面上进行同步旋转。这一发现与预期的结果并不相符。
○在半人马座A星系周围轨道上发现的矮星系在星系平面显示出一个明确的运动方向，这对ΛCDM理论来说是一个挑战。| 图片来源： Muller et al., Science 359, 6375 (2018）
根据标准宇宙学模型的预测，星系会形成等级结构，这意味着它们会吸引较小的星系，并将其中一些分开，从而逐渐壮大自己。而这些小星系被引力吸引时，它们可能来自各个不同的方向。因此，我们预期这些星系会在各种随机的位置和方向上移动。
尽管有时会受到一些挑战，但等级模型依然很强大。它支撑的是现代宇宙学中一个最基础的方面：各向同性。这是一个基于宇宙是均匀的预想，它描述的是无论从任何方向对宇宙进行观测，都是一样的。我们对小尺度上的卫星星系有着同样的均匀表现预期。而新研究对等级模型的挑战，也就是对各向同性的挑战——某些位置有的星系具有同步行为，有的星系却表现出随机行为，这似乎是不合理的。
更重要的是，我们在过去的卫星破坏造成的残骸里看到了大量等级模型的证据，还看到了小星系的逐渐累积，以及一些依然存在的小星系。
奇异性评估
事实上，在此之前就已经发现过其他在单一平面上运动的卫星星系。那是两起就发生在我们宇宙“后院”的案例，一个在银河系周围，另一个则在仙女座星系周围。虽然目前总共三次的发现并算不上是一个很大的数字，但我们还没有在更远的地方去找探寻这种现象。然而，有证据表明，在与银河系相似的星系中，有一半的星系可能在有序轨道上具有卫星星系。
○围绕着大型星系旋绕的矮星系轨道示意图。| 图片来源：Geraint Lewis and the Hubble Space Telescope Image Archive
到目前为止，宇宙学家都把这些平面作为罕见事件予以忽视，因为奇怪事件的出现并不能代表在更广泛宇宙中的普遍性。通过星系形成的计算机模拟和对卫星星系的所有可能方向进行筛选，科学家估算了我们可能在宇宙中发现这些“异常”星系的数量。结果表明，这种平面分布不应该是极为罕见的，大约有10％的发生几率。
然而，实际上观测到的大量卫星星系在同一方向旋转（如半人马座A周围的卫星星系那样）的几率却不到0.5％。这意味着这并非不可能，但如果我们发现太多这样的例子，那么将不得不对标准宇宙学模型进行重新思考。要知道，在一个并不非常大的观测样本中，已经发现了三个这样的例子。
但是，我们还需考虑“查看别处效应”（look-elsewhere effect）。这是一个被统计学家所熟知的效应，用来纠正当我们在对小样本进行观测过程中，出现了罕见事件时，会得出各种各样奇怪结论的倾向。通过查看别处，也就是说，通过增加观察次数并统计所有的事件没有发生的情况，可以大大降低该事件的统计显著性。
其它解释
但如果我们无法找到足够的例子来证明这些星系只是一个例外，而非一种规则呢？当前的宇宙学模型能否完全解释这些发现？或许吧，但不寻常的观测需要的是不寻常的解释。有种可能是，这些矮星系并非一个一个出现，而是被集体性的创造于一次单一事件中，从而被赋予了一致的运动。两个星系的大规模合并就能产生这种效果。由于有迹象可以证明半人马座A有着非常活跃的过去，因此这种说法是有可能的。
○仙女座星系周围发现的矮星系轨道上泛起的整齐一致的“舞蹈”。| 图片来源：R. Ibata & Nature
这种设想已被提出用来解释仙女座卫星星系平面一事，但这一说法似乎不太能解释所有的情况。它的问题在于，诞生于单一潮汐事件中的矮星系必须共有相似的恒星形成历史。然而，许多的这些矮星系并不这样。
星系的环境显然起着某种作用。更大规模的星系分布对卫星星系的运动也会产生微妙影响。例如，空间中的一个被称为“本空洞”的膨胀空白区域，就被认为在半人马座A附近起着“引导”那些星系的作用，将它们导入优选的方向。这种解释与标准宇宙学模型是相容的。然而，宇宙学模拟还不能确切地表明这将如何与实际所见相一致。
而对整个问题进行的更为猛烈的重新评估就是对引力理论进行修正了，例如通过使用所谓的修正牛顿引力理论。通过这种理论，计算机能模拟出类似银河系和仙女座星系的卫星星系的平面。然而，尽管这个理论在许多方面都取得了成功，但它离能像标准模型那样通过相同的一致性检测还有一定距离。
所以，至少在短时间内，我们所珍惜的宇宙学模型还能继续存活。
撰文：Andreea Font（利物浦约翰摩尔斯大学天体物理研究所高级讲师）
编译：二宗主
参考文献：