銀河系有多重？

編譯 費(fèi)文緒

一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(jiàn)的暗物質(zhì)，我們的銀河系充滿(mǎn)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(méi)有達(dá)成共識(shí)。

過(guò)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(jiàn)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(jiàn)，也不能被直接測(cè)量，給天文學(xué)家?guī)?lái)了嚴(yán)峻的問(wèn)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(wèn)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(guò)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?！?/p>

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(kāi)暗物質(zhì)的問(wèn)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。”

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(huà)。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。