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银河系到底有多重?科学家是这样称量的

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 Connor Feng • 2018-11-30 14:21:19 来源:前瞻网 E945G0
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在计算宇宙中有多少物质时,天文学家必须要具有创造性。你不能真的把一个星系滚到一个工业秤上去称量(即使你可以,正如艾萨克·牛顿(Isaac Newton)所指出的,你仍然需要考虑地球引力的影响才能得到它的质量)。确定物体(如月球、行星或恒星)中物质数量的经典方法是测量其与其他物体的引力相互作用。这些早期的计算结合了牛顿引力定律和约翰尼斯开普勒行星运动定律——行星的轨道速度和与另一个物体的距离之间的关系。

当天文学家第一次通过测量恒星的轨道速度将这些计算应用于星系时,计算得出的结果很奇怪。从表面上看,星系的大部分质量似乎都在星系中心附近,所以靠近星系中心的恒星应该比边缘的恒星运行得快才对(用我们的行星作比较,水星的轨道速度最快——每小时107082英里,海王星的轨道速度最慢——每小时12146英里。这是因为我们太阳系99.9%的质量在太阳中)。20世纪70年代,天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)和她的同事肯特·福特(Kent Ford)对仙女座星系(Andromeda Galaxy)进行了观测,这是离我们最近的一个主要星系。他们的观测结果证明,这种假设与实际情况相去甚远。边缘的恒星几乎和靠近中心的恒星一样快。外层恒星的轨道运行速度如此之快,以致于其动量本应将整个星系撕裂。相反,鲁宾提出,这些观测结果恰恰是我们看不见的物质——暗物质——的证据,这些暗物质分布恒星的边缘,解释了恒星的运动。对测量星系的质量来说、这些看不见的物质提出了一点挑战。

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在这位艺术家的假想图中,一个示踪星系围绕银河系运行。天文学家可以利用它的缓慢运动来“称量”我们所生活的星系。来源:NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech)

而天文学家现在需要调整他们的方法来计算已知存在于星系中的暗物质。在去年春天的美国天文学会(American Astronomical Society)会议上,亚利桑那大学(University of Arizona)研究生埃克塔·帕特尔(Ekta Patel)在一次演讲中描述了他的团队的研究成果,这可能是在确定质量计算准确性方面的一大里程碑。她的团队的目标是解决计算暗物质质量的难题,以及测量银河系质量的这个独特挑战。和测量仙女座星系不一样,我们可以通过强大的望远镜以清晰的细节看到几乎整个仙女座星系,但当我们看到我们自己的母星系时,我们只能从其中一个旋臂往外看。帕特尔说:“想象一下这就像在不使用互联网或不离开你居住的城市的情况下对美国进行人口普查。”或者在没有镜子的情况下检查你背上的痣,我们就是看不清楚。

帕特尔的研究小组并没有绘制出银河系中不同距离的恒星(这些数据在观察银河系核心周围时很难收集到),而是研究了银河系卫星星系的角动量,大约有50个小星系(到目前为止我们只知道50个)被引力束缚在我们的卫星星系上。帕特尔称这些为“示踪物体”,因为它们的运动“示踪”了它们所在星系的质量分布。然而,这种穿越星际的运动极其缓慢。帕特尔说:“这些运动非常小,就像在月球上测量头发的生长速度一样。”现在之所以能够进行这些测量是因为太空望远镜(这项工作所需的细节超出了现代地面仪器的分辨率)已经在轨道上运行了足够长的时间,能够看到这些示踪物体的可测量移动。

哈勃太空望远镜是目前最好的数据观测站。像帕特尔这样的研究人员依靠马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute)操作哈勃望远镜的专门团队,来测量卫星星系在天空中几乎难以观察的微小运动。

为了计算银河系的质量,帕特尔的团队最初研究了9个示踪物体的运动,但他们计划将欧洲盖亚望远镜的观测数据包括在内,以改进他们的估计。盖亚望远镜任务仅已经察了4年多,最近发布了第二批数据,这足以开始测量运动,并允许帕特尔将她的团队正在研究的银河系示踪物体的数量从9个扩大到30个左右。帕特尔说:“到(盖亚的)任务结束时(四到五年,还有几批数据)这些数据将和哈勃一样精确。”一旦詹姆斯韦伯太空望远镜在本世纪20年代初开始任务,它也将对这些观测做出重大贡献。

帕特尔的团队随后利用宇宙学模拟了类银河系宿主星系及其卫星星系的发展过程。这些模拟提供了统计证据,说明进化路径将导致他们现在观测到的星系的形成。通过使用这种新方法,帕特尔和她的团队将先前对银河系质量的估计范围(在7000亿到2万亿太阳质量之间)缩小了到0.96万亿太阳质量。

该星系之前的巨大潜在质量范围使得任何基于该质量的计算都无法得到精确的答案。银河系有多少暗物质?星系是如何演化并形成现在的形状的?帕特尔说:“由于不知道星系的质量,我们无法在不同的物理问题之间建立更多的联系,这些物理问题涉及到像银河系这样的星系是如何演化的等,”因为任何一个问题都有不同的解决方案。她也承认他们的结论有一定的误差,但随着他们观察示踪物体的时间越长,他们会继续改善他们的计算结果。

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