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        銀河系有多重?

        2019-02-20 09:12:57編譯費(fèi)文緒
        世界科學(xué) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:金斯蓋亞星團(tuán)

        編譯 費(fèi)文緒

        一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過把哈勃(Hubble)和蓋亞(Gaia)太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái),對(duì)銀河系質(zhì)量進(jìn)行了迄今為止最精確的估算。

        從恒星、行星和小行星,到黑洞和不可見的暗物質(zhì),我們的銀河系充滿了很多物質(zhì)。但是,天文學(xué)家對(duì)銀河系所有這些天體物質(zhì)的總質(zhì)量,還沒有達(dá)成共識(shí)。

        過去,科學(xué)家對(duì)銀河系質(zhì)量的估算值,小到5 000億太陽(yáng)質(zhì)量,大到2萬(wàn)~3萬(wàn)億太陽(yáng)質(zhì)量(1太陽(yáng)質(zhì)量等于我們的太陽(yáng)的質(zhì)量)。這中間的巨大不確定性與天文學(xué)家對(duì)我們銀河系質(zhì)量的不同測(cè)量方法有很大的關(guān)系,更別提還有非常神秘的變量——暗物質(zhì)。這種不可見的、目前仍是理論假設(shè)的物質(zhì)形式,在我們的銀河系占比高達(dá)84%,但是因?yàn)榘滴镔|(zhì)不可見,也不能被直接測(cè)量,給天文學(xué)家?guī)?lái)了嚴(yán)峻的問題。

        缺乏對(duì)銀河系包含的物質(zhì)質(zhì)量的準(zhǔn)確認(rèn)知,天文學(xué)家就不能完全了解銀河系與相鄰星系如何相互作用、銀河系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)及其隨時(shí)間的演化等重要的天文學(xué)問題。

        現(xiàn)在,歐洲南方天文臺(tái)(位于德國(guó)加奇)的勞拉·沃特金斯(Laura Watkins)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出了解決這一難題的新方法。通過把美國(guó)宇航局(NASA)的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和歐洲航天局(ESA)的蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái),研究人員對(duì)銀河系質(zhì)量的測(cè)量精度提高到了新水平。研究結(jié)果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》(The Astrophysical Journal)上。最新的測(cè)量結(jié)果將銀河系的質(zhì)量推定為約1.5萬(wàn)億太陽(yáng)質(zhì)量,大致分布在距離銀河系中心大約12.9萬(wàn)光年的范圍內(nèi)。

        “我們很吃驚,我們的測(cè)量值落在之前跨度那么大的估測(cè)范圍的中間,”沃特金斯告訴美國(guó)知名科技網(wǎng)站Gizmodo,“很多最近期的研究成果傾向于支持更低的取值。相比之下,我們的這個(gè)測(cè)量值處于最近期研究估值的高端。”

        正如所指出的,銀河系的絕大部分物質(zhì)是暗物質(zhì),占到銀河系質(zhì)量的大約84%,或根據(jù)最新研究是5/6;銀河系只有4%左右的質(zhì)量來(lái)自于銀河系中大約2 000億顆恒星,它們的總質(zhì)量大約是600億太陽(yáng)質(zhì)量;剩下的12%質(zhì)量由非恒星物質(zhì)構(gòu)成,比如氣體云(clouds of gas)、行星、彗星、小行星。至于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞,經(jīng)測(cè)量其質(zhì)量大約是400萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量,它確實(shí)很重,但是它也只占了銀河系總質(zhì)量很小的比例。

        沃特金斯說(shuō):“在一定比較范圍內(nèi),質(zhì)量最輕的星系大約是10億太陽(yáng)質(zhì)量,而最重的星系大約是30萬(wàn)億太陽(yáng)質(zhì)量,所以銀河系在這個(gè)范圍里站到了壯漢的一邊——但是我們以前就知道這一點(diǎn)?!?/p>

        為了避開暗物質(zhì)的問題,沃特金斯的研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了球狀星團(tuán)(globular clusters)的速度和運(yùn)動(dòng)——球狀星團(tuán)密布著大量高密度恒星,這些恒星在遠(yuǎn)離銀河系中心的軌道上。球狀星團(tuán)由于其綜合質(zhì)量和位置,成為測(cè)量銀河系質(zhì)量的絕佳示蹤物或參考點(diǎn)。劍橋大學(xué)天文學(xué)家溫·埃文斯(Wyn Evans)是這項(xiàng)新研究的共同作者,他在歐洲航天局的新聞發(fā)布會(huì)上解釋了這項(xiàng)新的測(cè)量技術(shù):

        “一個(gè)星系的質(zhì)量越大,它的球狀星團(tuán)在引力作用下運(yùn)動(dòng)的速度就越快。以前的大多數(shù)測(cè)量都找到了球狀星團(tuán)靠近或遠(yuǎn)離地球的速度,那是從地球看球狀星團(tuán)的視角測(cè)出來(lái)的速度。而我們的最新測(cè)量方法,還測(cè)量了球狀星團(tuán)的橫向運(yùn)動(dòng)速度,從而測(cè)出總速度,由此可以計(jì)算出銀河系的質(zhì)量?!?/p>

        蓋亞提供了距離地球6.5萬(wàn)光年范圍內(nèi)的34個(gè)球狀星團(tuán)的測(cè)量值,哈勃望遠(yuǎn)鏡則提供了距離地球13萬(wàn)光年范圍內(nèi)的12個(gè)遙遠(yuǎn)星團(tuán)的測(cè)量值。蓋亞提供了22個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù),而哈勃望遠(yuǎn)鏡則記錄了長(zhǎng)達(dá)10年時(shí)間跨度的數(shù)據(jù),使得天文學(xué)家能夠在大時(shí)間尺度下合理觀察這些天體的運(yùn)動(dòng)。

        沃特金斯也承認(rèn),這項(xiàng)新技術(shù)仍有改進(jìn)的空間。例如,到任務(wù)結(jié)束,蓋亞將可以完成總共大約9~10年的巡天時(shí)長(zhǎng),這些數(shù)據(jù)將有助科學(xué)家更精確地測(cè)量恒星運(yùn)動(dòng),從而對(duì)銀河系質(zhì)量進(jìn)行更清晰地刻畫。此外,沃特金斯的研究團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究工作中只使用了46個(gè)球狀星團(tuán)的數(shù)據(jù)。沃特金斯也期待在建模方面有所改進(jìn)。

        未來(lái)的蓋亞觀測(cè)數(shù)據(jù)將有助天文學(xué)家更深入地研究暗物質(zhì)暈的形狀,這也將有助于天文學(xué)模型的進(jìn)一步完善。

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