天文學上，定義及尋找一個天體系統的邊界往往是一件富有挑戰的事情。就我們的太陽系而言，如果以主行星系統為界，那麼看似隨著冥王星的降級，海王星的軌道便是邊緣。但實際上，海王星以外還存在彗星和小行星等天體。
和其他恆星一樣，太陽誕生於氣體雲，太陽系外圍的殘留星雲被稱作「奧爾特雲」（Oort Cloud,見圖1）。太陽系主行星區域及奧爾特雲交界的地帶存在名為「柯伊伯帶」的塵埃盤(Kuiper Belt)，是太陽系內彗星的主要來源地。
圖1. 太陽系的主行星區域、柯伊伯帶及奧爾特雲（圖源：NASA）
在當時的新聞發佈會上，美國宇航局宣佈上個世紀發射的旅行者一號及二號探測器飛過了日球頂層（Heliopause）,進入星際空間。而如果定義柯伊伯帶或奧爾特云為太陽系的邊緣，那麼旅行者號距離飛出太陽系的目標還尚遠。
定義我們太陽系的邊界尚且如此具有不確定性和挑戰性，那麼如何定義宇宙中各類形態及大小不同的星系的邊界呢？
星系外圍的暗物質暈
科學家們認為星系由看不見的「暗物質暈」包裹（見圖2），這團暈跨越了巨大的空間尺度。拿我們的銀河系來舉例，其外圍暗物質暈可延展至星系盤尺度的十倍開外(銀盤的直徑約為100，000光年)。
除去氣體，這團暗暈中存在諸多恆星、星團及較小質量的衛星星系等天體。廣義上，星系的邊界應被定義為包含這些天體的一個合適的距離。但我們無法直接觀測暗物質，對這團暗暈邊界的定義往往較為模糊且需要依賴於理論模型。
圖2. 星系由暗物質暈包裹
傳統的宇宙結構形成理論指出，暗物質暈的位力半徑可被定義為某一距離，該距離內的平均物質密度等於一定倍數的宇宙臨界密度或平均物質密度。位力半徑描述了處於平衡態的暗暈的大小，而暗暈往往在持續長大，其結構能夠連續地延展到位力半徑以外更遠的地方。
近年來有科學研究將落入暗暈中的物體環繞一圈後所能迴轉到的最遠距離定義為回濺半徑，用以描述增長中的暗暈的引力範圍[1]。也有研究指出暗暈在吸積周邊物質的過程會形成所謂的挖掘邊界[2]，可作為對其成長中的邊界的自然定義。
暗物質的引力對恆星、氣體和衛星星系的分佈起了決定性的影響，所以觀測上可以利用這些示蹤天體對暗暈的各種邊界進行間接限制。
既然在可見光波段是難以直接觀測暗物質的，那麼對位於暗暈中心的星系本身來說，其發光的恆星物質的邊界又在哪裡呢？
可見光波段星系的邊界
我們先來看看，隨著天文觀測的曝光時間及圖像解析度的改變，同一個星系看上去的細節和大小變化。
圖3所展示的是一個橢圓星系及一個漩渦星系的圖像。最下一行是在美國阿帕奇天文臺的2.5米口徑望遠鏡上進行的斯隆數字化巡天的圖像；中間的圖像來自於智利的薩拉託洛洛天文臺4米望遠鏡上進行的The Dark Energy Camera Legacy 巡天(DECaLS)；最上一行是在日本8米口徑的昴星團望遠鏡上進行的Hyper Suprime-Cam巡天所拍攝的照片。
圖3. 一個橢圓星系（左）及一個漩渦星系（右）。從下往上依次對應了三個深度和解析度不同的巡天（圖源：取自[3],對應的巡天網站的公開資料）
隨著曝光深度和解析度從下往上的依次遞增，星系的結構被越來越清晰地展現，星系的大小也看起來更延展。原本在較短的曝光時間下難以被觀測到的星系外圍的結構，隨著曝光時間的增加便更容易地浮現出來了。
實際上，星系外圍存在著一團由彌散的恆星所組成的低面亮度延展恆星暈。理想情況下，如果不存在天光背景汙染、大氣和儀器散射等因素，隨著曝光深度的不斷增加，越來越多的星系外圍的低面亮度結構將可以被觀測到，星系的大小會看起來越來越延展。這些低面亮度的結構在眾多的單個近鄰星系周邊已被明顯觀測到，有些圖像甚至是藉助小型的愛好者所使用的望遠鏡來拍攝的（見圖4）。
圖4. NGC2275周邊的低面亮度延展結構，圖像是藉助小型的天文愛好者望遠鏡所拍攝的（圖源：取自[4]）
然而，對較遠較暗的星系，以及在距離星系中心較大的尺度上，這些恆星暈的強度要遠小於天光背景。只有當天光背景及其他與地球大氣或儀器相關的系統誤差被準確地扣除後，星系外圍的恆星暈信號才能得到正確的展現。
所以即使透過在可見光波段的恆星物質來定義星系的邊界，也是一項具有挑戰性的任務。透過疊加不同的星系圖像來增強訊雜比，天文學家能夠得到位於紅移0.1到0.5（對應距離約400到1,900兆秒差距）的星系周邊，延展到上百千秒差距甚至上兆秒差距的恆星暈信號[5,6,7,8]（1秒差距約為3.26光年或31兆公里）。
星流和恆星暈的形成
星系外圍的這團恆星暈來源於周邊的衛星星系及球狀星團。在巨大的潮汐作用下，衛星星系或球狀星團逐漸變形並被瓦解，其自身的恆星被不斷剝離，形成衛星星系前後的帶狀星流結構（見圖5）。
圖5. 銀河系周邊的帶狀星流（圖源：NASA）
隨著時間的流逝，這些連貫的星流將變得越來越彌散，形成星系外圍的恆星暈(見圖6)。最終，這些衛星星系及星流將成為位於暗物質暈中心的星系的一部分。
圖6. 數值模擬預言的星流及星暈的形態（圖源：[9]）
人類的壽命有限，我們無法直接觀測這些星流及恆星暈的完整形成過程，科學家們所能窺見的僅僅是它們演化過程中的一個瞬間。
即便如此，天文學家們依舊能夠透過當前的觀測來設法推知星系過去的形成和演化歷史。比如，藉助Gaia衛星對銀河系內恆星的觀測資料，天文學家們在速度空間找到了一個矮星系的殘骸,說明銀河系在約100億年前曾與質量為前身星系四分之一左右的星系發生併合[10,11]（見圖7）。
圖7. 約100億年前，銀河系曾與名為Gaia-Enceladus的星系發生併合，形成了一部分厚盤及恆星暈中的恆星（圖源：Gabriel Pérez Díaz, SMM/IAC）
40多年前發射的旅行者號，目前已經距離地球家園約200億公里，但其仍未完全地飛出太陽系。我們的地球在廣袤無垠的宇宙中僅僅是一粒微塵。假如某一天人類能夠做到如科幻小說中描述的場景般飛出銀河系，探索深邃的宇宙，那將是無比激動人心的未來。
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作者簡介
王文婷，上海交通大學天文系副研究員。中國科學院上海天文臺博士，英國杜倫大學博士後、日本東京大學卡維理數物連攜宇宙研究所博士後。研究方向涉及星系形成和演化、近場宇宙學、銀河系動力學質量測定等，並獲自然科學基金委優秀青年科學基金資助。
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主編：石碩
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