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我們的銀河系有多重?

3月
11
2019

2019年3月11日12時 今日科學 國家空間科學中心

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橫幅圖片:此圖顯示了我們銀河系的基本結構:螺旋盤(spiral disk),中心核球(bulge),以及恆星和球狀星團的漫射暈(diffuse halo)。銀河系周圍的大量暗物質暈並沒有顯示。

Credits: NASA, ESA and A. Feild (STScI)

我們沒法稱出整個銀河系的質量,但是天文學家已經能使用NASA的哈勃太空望遠鏡和歐洲航天局的蓋亞衛星(Gaia satellite),對我們銀河系的質量進行準確的測量。

根據最新的測量數據,銀河系大約有1.5萬億太陽質量(solar mass,太陽質量約為2*10^30kg)。這其中只有很小一部分來自銀河系中大約2000億顆恆星和中心一個400萬太陽質量的超大質量黑洞。大部分質量來自暗物質,一種「看不見」的神秘物質,就像宇宙中的腳手架一樣,將恆星保持在它們的星系中。(我們為什麼知道暗物質的存在呢?請看文末)

左邊是哈勃太空望遠鏡拍攝的一部分球狀星團NGC 5466的圖像。右邊的動圖對比了相隔十年拍攝的哈勃圖像以計算星團的速度。背景中的網格有助於顯示前景星團(位於52,000光年之外)中的恆星運動。注,背景星系(分別位於中間右上和中間左下)似乎沒有移動,因為它們距離我們數百萬光年之遠。

Credits: NASA, ESA and S.T. Sohn and J. DePasquale (STScI)

早在幾十年前的研究就使用了各種觀測技術來估算我們銀河系的質量,估計值在5000億到3萬億太陽質量之間。改進後的測量值接近這個範圍的中間。

太空望遠鏡科學研究所(STScI,位於馬里蘭州的巴爾的摩)的Roeland van der Marel說:「我們希望更準確地了解銀河系的質量,以便我們可以將其置於宇宙學背景中並與星系演化模擬進行比較。不知道銀河系的精確質量會為許多宇宙學問題帶來問題。」

與宇宙中的其他星系相比,新的質量估計使我們星系置於較大的一邊。最輕的星系大約有10億個太陽質量,而最重的則有30萬億(是輕的30,000倍)。銀河系的質量(1.5萬億太陽質量)對於其亮度的星系來說是相當正常的。

天文學家使用哈勃望遠鏡和蓋亞衛星來測量球狀星團的三維運動,球狀星團(globular clusters)就像個孤立的球形島,每個都包含數十萬顆恆星,每顆恆星圍繞我們銀河系的中心運行。

雖然我們並看不到,但暗物質是宇宙中物質的主要形式,我們可以通過它對像球狀星團這樣的可見物質的影響來衡量它的質量。星系質量越大,其中的球狀星團在重力作用下運動得越快。大多數先前的測量一直沿著到球狀星團的視線,因此天文學家知道球狀星團接近或遠離地球的速度。然而,哈勃和蓋亞記錄了球狀星團的側向運動,從中可以計算出更可靠的速度(因此也可以計算重力加速度)。

哈勃望遠鏡和蓋亞的觀測是互補的。蓋亞衛星專門用於在整個銀河系中創建精確的天文物體三維地圖並跟蹤它們的運動。它進行了精確的全天測量,包括許多球狀星團。哈勃望遠鏡的視野較小,但它可以觀測較暗的恆星,因此可以看見更遠的星團。這項新研究用了蓋亞測量的65,000光年內的34個球狀星團,以及哈勃從10年間拍攝的圖像中獲得的130,000光年內的12個星團。

當蓋亞和哈勃望遠鏡的測量結果結合,天文學家可以估算出銀河系距地球近100萬光年內的質量分布。

「我們從宇宙學模擬得知星系中質量的分布應該是什麼樣的,因此我們可以計算出這種推斷對於銀河系的準確程度,」歐洲南方天文台(European Southern Observatory,位於德國加興)的Laura Watkins說。她是這次哈勃/蓋亞研究的第一作者,該論文將發表在《天體物理學雜誌(The Astrophysical

Journal)》上。這些計算基於蓋亞和哈勃望遠鏡對於球狀星團運動的精確測量,使研究人員能夠確定整個銀河系的質量。

銀河系中最早的「住戶」,球狀星團包含已知最古老的恆星,可追溯到大爆炸後的幾億年內。它們形成於銀河系螺旋盤之前,我們的太陽系就在螺旋盤上。

「由於它們的距離很遠,球狀星團是一些最好的示蹤劑(tracers),天文學家可以測量星系周圍暗物質的巨大質量,它們的分布遠遠超出星系的螺旋盤,」STScI的Tony Sohn說道,他領導了哈勃的測量。

本研究中的國際天文學家團隊包括Laura Watkins(歐洲南方天文台,位於德國加興)、Roeland van der Marel(太空望遠鏡科學研究所和約翰霍普金斯大學天體物理科學中心,位於馬里蘭州巴爾的摩)、Sangmo Tony Sohn(太空望遠鏡科學研究所,位於馬里蘭州巴爾的摩)和N. Wyn Evans(劍橋大學,位於英國劍橋)。

哈勃太空望遠鏡是NASA和ESA之間的國際合作項目。NASA的戈達德太空飛行中心負責管理望遠鏡,太空望遠鏡科學研究所(STScI)負責哈勃科學運營。
STScI由華盛頓特區天文研究大學協會為NASA運營。

暗物質的觀測證據:

1. 星系自轉曲線(Galaxy Rotation Curves)

Credit:Van Albada et al. (左), A. Carati, via arXiv:1111.5793 (右).

上圖是星系NGC 3198中恆星軌道速度vs距星系中心的距離。右圖第一條曲線上的點是觀測值,第二條是理論曲線(左圖類似)。根據經典力學,當恆星離中心越遠,它們的速度變慢。但觀測表示,隨著離星系中心的距離增加,恆星的軌道速度基本不變,說明有我們看不見的質量來維持這個速度,而且暗物質的分布遠超出於我們看的見的星系的邊界。

2. 子彈星系團(The Bullet Cluster)

Credit:NASA

上圖是兩個星團由於引力相互靠近並發生碰撞後的合成圖片。紫色部分是哈勃望遠鏡通過引力透鏡(gravitational lensing,即光通過引力而彎曲,彎曲程度取決於引力場的強弱,從而可估算質量分布)檢測到的星團質量,粉色部分是錢德拉X射線天文台(Chandra X-ray Observatory)檢測到的X射線。這兩個質量中心並不重合:X射線來自於「熱氣體(hot

gas),」碰撞使它們相互作用;而引力透鏡檢測到的暗物質並不相互作用,它們直接穿過對方,並不像表示氣體質量的粉色部分還在「糾纏」。

除了這兩個,暗物質的觀測證據還包括星系團(Galaxy Clusters)、宇宙微波背景(CMB,Cosmic Microwave Background)、大尺度結構的形成(Large-Scale Structure Formation)等。

參考:

<1>https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/what-does-the-milky-way-weigh-hubble-and-gaia-investigate

<2>https://apod.nasa.gov/apod/ap170115.html


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