银河系搭车客指南 银河系的质量: 太阳的1万5千亿倍

2019-03-29 - 银河系

天文学家使用GAIA与哈勃空间望远镜,对银河系的质量进行了迄今最为精确的测量。新的结果让我们的星系可以与仙女星系比肩,如果不是比后者更重的话。

长久以来,银河系的质量都是一个争议性话题,我们甚至都不了解它在本星系群中的地位。它到底是整个群中的重量冠军,还是说姊妹星系——仙女星系要更重一些?

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来自空间望远镜科学研究所的劳拉·瓦特金斯(Laura Watkins)与同事使用欧洲空间局的GAIA卫星最近释放的数据,连带哈勃空间望远镜大约在10年前进行的观测,敲定了46个致密恒星集合的运动情况。这些天体叫做球状星团,它们的轨道帮助敲定了银河系的质量。

银河系搭车客指南 银河系的质量: 太阳的1万5千亿倍
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这张艺术概念图秒湖了银河系的计算机模型以及本次研究所用的周边球状星团的位置。(图片提供:ESA / Hubble, NASA / L. Cal ada)

来自英国剑桥大学的论文合作者N·温·埃文斯(N. Wyn Evans)解释道,我们银河系的引力决定了星团的运动。如果银河系的质量更大,那么星团在更强的引力作用下将运动得更快。这里的关键就是准确得知星团运动的速度。

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许多先前的工作测量了星团靠近或离开地球的速度。埃文斯说:“但是,我们还能测量到星团的侧向运动,这样就能得出它们的总运动速度,进而计算出整个银河系的质量了。”

小组发现,银河系的质量相当于太阳的1.5万亿倍。这一结果将刊登在《天体物理学报》杂志上(论文预印本请点击)。

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微妙的读数

天文学家曾忙于确定银河系的质量,就好像是父母忙于照料新生儿一样。这一点是可以理解的:婴儿的体重是更重要的一些东西(如成长和健康情况)的指征,而银河系的质量也会影响一切事物,从我们对银河系形成的了解,到暗物质的本质,不一而足。

但是虽然儿科医生通常可以以1%以内的精度告诉你婴儿的体重(如果你住在美国的话,这相当于1/10盎司,约合2.8克),银河系的质量精度却是在2倍的范围内的。设想你将新生儿放在磅秤上,却只能看到指针读数介于5到10之间。这个孩子长得足够健康吗?还是说只是凑凑合合而已?如此的不确定度让结果变得毫无意义。

银河系的恒星盘面(图中的“薄盘”)与星系庞大的暗物质晕相比,相对不是那么重要。(图片提供:NASA / ESA / A. Feild)

在银河系的尺度上,这个问题当然要涉及更多的零:多年以来,天文学家已经发现,银河系的质量介于太阳的0.5万亿到3万亿倍之间。这一范围如此宽泛的原因有很多。首先,由于我们身处银河系之内,研究银河系是很困难的。

尘埃或银河系的恒星盘面之类的东西会阻挡我们的视线。其次,哪怕在天文学家跟踪球状星团等天体的轨道之时,测量它们在天空中的运动也更加微妙。为了确定它们的本动,我们需要多年的观测。这就是瓦特金斯及其同事们做的事情。他们使用的是哈勃在差不多10年内监测恒星运动的专门项目,还有自2014年来一直在监测恒星的GAIA卫星第二批公布的数据。

但问题最为微妙的地方显然是,天文学家尝试测量的相当一部分质量并不可见。银河系的大部头由暗物质而非恒星组成。更且银河系的暗物质晕可能延伸到了距离银心100万光年的地方。哪怕天文学家追溯了一个球状星团环绕银河系运行的整个轨道,这也只能给出轨道之内的质量。瓦特金斯的研究所用到的最遥远的球状星团距离我们13万光年。为了测量在此之外的质量,天文学家必须要就暗物质晕的本性和形态作出一些假设。

更加精确的质量

然而新的测量相当精确,它可以帮助我们将范围缩窄。来自哈佛-史密松天体物理中心的阿纳·博纳卡(Ana Bonaca)说:“结合波斯蒂与赫尔米(Posti Helmi)对类似数据进行的另一项分析,(本研究)将读数调向了更重的银河系。在这些研究的帮助下,现在我们知道,极低的银河系质量是不太可能的。”博纳卡并未参与此项研究。

球状星团NGC 4147距离地球大约6万光年。(图片提供:ESA / Hubble / NASA / T. Sohn et al.)

对于天文学家来说,新的质量估计对于了解银河系卫星系群体来说将是至关重要的。对于我们之中的其他人来说,那就是——哎呀!我们实际上并不比仙女星系更小!

不过这里仍有未决的工作。博纳卡指出,理想的示踪天体应该位于30万光年之外的外晕之中。这里的戏法就是要寻找一些距离如此遥远但仍旧可见的天体,如球状星团、矮星系,甚至是银河系的引力从下落的星团或矮星系中剥离出的星流。对于瓦特金斯和同事而言,他们认为GAIA将继续测量更多球状星团的运动。毫无疑问的是,在未来的一段时间内,研究者将继续使用上述以及其他方法继续缩窄银河系的质量范围。

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