銀河系的“體重”也能“稱”出來嗎？

宋楠

一支國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)近日利用我國(guó)郭守敬望遠(yuǎn)鏡以及歐空局“蓋亞”空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，精確測(cè)量出銀河系的質(zhì)量為5500億倍的太陽(yáng)質(zhì)量。該結(jié)果與國(guó)際其他團(tuán)隊(duì)測(cè)量的平均值（約1萬億倍太陽(yáng)質(zhì)量）相比，小了近一半，測(cè)量結(jié)果的精度卻幾乎翻倍。人類是如何一步步認(rèn)識(shí)我們所處的銀河系的？對(duì)于銀河系質(zhì)量的測(cè)量有哪些重要價(jià)值？天文學(xué)家又發(fā)明了哪些巧妙的“稱重”方法？

皎皎銀河，星光燦爛，人類從仰望星空的那一刻起，便對(duì)夜空中明亮條帶——銀河展開了無窮的想象，中國(guó)古代認(rèn)為它是分隔牛郎織女的天河，西方則認(rèn)為它是天后赫拉的乳汁形成的“奶路”。而隨著近代天文望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，人類也開始慢慢從科學(xué)的角度一步步認(rèn)識(shí)銀河。

17世紀(jì)初，伽利略第一次將望遠(yuǎn)鏡指向夜空，發(fā)現(xiàn)淡淡的銀河其實(shí)是由無數(shù)顆恒星組成的，開啟了人類利用天文設(shè)備研究銀河系的大門。那銀河系在夜空中究竟是什么樣子呢？18世紀(jì)后期，英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾花費(fèi)十余年時(shí)間，用望遠(yuǎn)鏡將天上的星星數(shù)了一遍，并記錄下它們分布的位置和數(shù)量，手繪出了第一幅銀河系畫像，揭示出銀河系是一個(gè)接近扁平的結(jié)構(gòu)。

隨著大型望遠(yuǎn)鏡設(shè)備的發(fā)展，通過沙普利等一代代天文學(xué)家的努力，目前人類已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，銀河系看起來是一個(gè)扁平的盤狀結(jié)構(gòu)，主要由三部分組成：盤子的中心部分是凸起的明亮核球；核球往外延伸是銀盤，絕大多數(shù)的恒星聚集于盤上；銀盤外圍還有一個(gè)很稀疏的球狀空間，被稱為銀暈。我們所在的太陽(yáng)系位于銀河系中心2.6萬光年遠(yuǎn)的地方，由于萬有引力作用，圍著銀河系中心繞轉(zhuǎn)。

提到恒星繞著銀河系中心旋轉(zhuǎn)，科學(xué)家們卻發(fā)現(xiàn)了反常的現(xiàn)象。通過測(cè)量銀河系中心以外不同距離處物質(zhì)的繞轉(zhuǎn)速度，可以繪制出銀河系的旋轉(zhuǎn)曲線圖。按照銀河系中可見物質(zhì)的觀測(cè)范圍，在距離銀河系中心半徑5萬光年外，就幾乎看不到有恒星和塵埃氣體存在了，換句話說，那個(gè)距離外測(cè)量到的物質(zhì)繞轉(zhuǎn)速度，應(yīng)該逐漸減小才對(duì)。但實(shí)際測(cè)量結(jié)果卻令科學(xué)家大吃一驚，在銀河系可見邊界的外圍，物質(zhì)的繞轉(zhuǎn)速度不降反升，這并不符合牛頓的萬有引力定律。仿佛有一只看不見的手，在支撐著銀河系外圍物質(zhì)繞銀心高速旋轉(zhuǎn)。不僅僅是銀河系，很多其他星系也發(fā)現(xiàn)了類似的旋轉(zhuǎn)曲線，科學(xué)家就此引入了暗物質(zhì)的猜想。

天文學(xué)家們之所以非常重視對(duì)銀河系“稱重”，最核心的還是因?yàn)殂y河系的“體重”與暗物質(zhì)息息相關(guān)，而暗物質(zhì)又對(duì)星系形成演化和周遭環(huán)境物質(zhì)產(chǎn)生重要影響。

銀河系的一部分質(zhì)量由可見物質(zhì)組成，也就是能夠用各個(gè)波段望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的恒星、氣體和塵埃等，比如目前我們已知銀河系中大約有1000億至4000億顆恒星，它們的質(zhì)量占整個(gè)可見物質(zhì)的96%，剩下3%是氣體，1%是塵埃，這一部分質(zhì)量大小和分布范圍在各種望遠(yuǎn)鏡探測(cè)下已經(jīng)相對(duì)比較明確。而剩下不可見的暗物質(zhì)，究竟質(zhì)量有多少，具體是如何分布的，因?yàn)榕c銀河系很多性質(zhì)息息相關(guān)而備受科學(xué)家關(guān)注。

首先，銀河系質(zhì)量尤其是暗物質(zhì)質(zhì)量的大小和分布情況，對(duì)研究銀河系的起源和演化非常重要。其次，銀河系周圍，還存在很多離它較近質(zhì)量較小的衛(wèi)星星系，銀河系質(zhì)量的多少，也影響著它與衛(wèi)星星系的關(guān)系，以及能否有足夠的引力將衛(wèi)星星系束縛在軌道上。對(duì)銀河系質(zhì)量的精確測(cè)量，也是對(duì)宇宙中其他星系質(zhì)量研究的有益補(bǔ)充和重要參考。

然而，給銀河系“稱重”真正操作起來卻是困難重重。因?yàn)榘滴镔|(zhì)不發(fā)光，無法利用望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)，我們只能借助其他發(fā)光天體在暗物質(zhì)引力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來推斷暗物質(zhì)的質(zhì)量和分布。測(cè)量籠罩在銀河系周圍的暗物質(zhì)分布情況，更多需要借助銀盤之外的遙遠(yuǎn)天體，它們環(huán)繞銀河系運(yùn)動(dòng)一圈的時(shí)間極其漫長(zhǎng)，而且距離越遠(yuǎn)越難以觀測(cè)，可用的樣本數(shù)量少、數(shù)據(jù)質(zhì)量差。此外，與直接測(cè)量相比，這種間接手段必然會(huì)在數(shù)據(jù)收集和處理過程中帶來各種誤差，影響“稱重”的精度。這些原因也導(dǎo)致銀河系質(zhì)量一直是銀河系所有基本物理參數(shù)中最不準(zhǔn)確的一個(gè)。

天文學(xué)家們之所以非常重視對(duì)銀河系“稱重”，最核心的還是因?yàn)殂y河系的“體重”與暗物質(zhì)息息相關(guān)，而暗物質(zhì)又對(duì)星系形成演化和周遭環(huán)境物質(zhì)產(chǎn)生重要影響。

面對(duì)重重困難挑戰(zhàn)和充滿未知的暗物質(zhì)，科學(xué)家們不斷利用最新的數(shù)據(jù)，嘗試新的方法，試圖提高“稱重”精度，得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。在過去的20多年間，文獻(xiàn)中可以找到不下50組對(duì)銀河系總質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果，但這些結(jié)果相互之間具有不小的差別，是一個(gè)覆蓋了0.5萬億至2萬億倍太陽(yáng)質(zhì)量的寬泛范圍。

計(jì)算銀河系質(zhì)量的理論方法并不太復(fù)雜。根據(jù)萬有引力定律，可見物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度、逃逸速度和速度彌散都可以有效地估計(jì)銀河系的質(zhì)量。

在銀暈上不同位置的恒星樣本在繞銀心旋轉(zhuǎn)時(shí)，軌道內(nèi)的質(zhì)量提供了繞轉(zhuǎn)的速度，如果能夠測(cè)量速度和距離，結(jié)合相應(yīng)模型，就可以推算出相應(yīng)軌道內(nèi)的質(zhì)量。換句話說，銀河系越重，重力對(duì)自轉(zhuǎn)的影響越大，恒星穿過圓盤的速度就越快。許多不同團(tuán)隊(duì)利用不同樣本得到的銀河系質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的1萬億至2萬億倍之間。

還有一種方法，科學(xué)家在銀暈中找到一些超高速星，它們正在以極快的速度飛離銀河系，逃出銀河系的引力束縛范圍。通過對(duì)超高速星逃逸速度的測(cè)量和運(yùn)動(dòng)軌跡的推算，可以給出相應(yīng)位置的重力勢(shì)能，從而估計(jì)銀河系的質(zhì)量分布和大小。2017年，哈佛大學(xué)阿維·勒布教授和他的合作者就利用超高速星樣本得到銀河系質(zhì)量在1.2萬億至1.9萬億倍太陽(yáng)質(zhì)量范圍內(nèi)。

除了較為傳統(tǒng)的方法外，2020年年底，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)郭福來研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，首次利用銀河系周圍星系周介質(zhì)中的熱氣體溫度測(cè)量了銀河系總質(zhì)量，是太陽(yáng)質(zhì)量的1.2萬億至3萬億倍。銀河系熱氣體暈趨于穩(wěn)定狀態(tài)后，溫度分布受銀河系總質(zhì)量的影響最敏感，即銀河系質(zhì)量越高，熱氣體暈的溫度就越高。

天文學(xué)相比于其他理工類學(xué)科而言，由于研究對(duì)象更加遙遠(yuǎn)，一方面需要更加先進(jìn)的觀測(cè)設(shè)備，需要不同位置和性能的望遠(yuǎn)鏡協(xié)同配合，海量的數(shù)據(jù)需要更多的合作；另一方面作為純基礎(chǔ)科學(xué)研究，不直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)利益，所以天文學(xué)研究更加注重國(guó)際合作與交流，是最為開放的學(xué)科之一。

本次最新的銀河系質(zhì)量測(cè)量成果，是由三峽大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、澳大利亞斯溫伯恩理工大學(xué)以及上海交通大學(xué)等單位組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，利用我國(guó)郭守敬望遠(yuǎn)鏡的海量光譜和歐空局“蓋亞”空間望遠(yuǎn)鏡的高精度自行數(shù)據(jù)相結(jié)合所作出的。郭守敬望遠(yuǎn)鏡是目前世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡，而“蓋亞”空間望遠(yuǎn)鏡則擁有數(shù)量最大、精度最高的天體測(cè)量數(shù)據(jù)。

利用中國(guó)和歐洲世界領(lǐng)先望遠(yuǎn)鏡獲取的數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)最終精選出1萬多顆“均勻”的銀暈恒星作為樣本，該樣本不僅數(shù)量多、覆蓋范圍大（20萬光年范圍），而且每顆星都精確測(cè)定了三維位置、三維速度以及金屬豐度。研究團(tuán)隊(duì)最終通過兩種方法測(cè)得了較為一致的銀河系質(zhì)量，約為5500億倍太陽(yáng)質(zhì)量。

這一結(jié)果表明，銀河系可能比先前研究普遍認(rèn)為的還要再“苗條”一半。這意味著銀河系中不發(fā)光但產(chǎn)生引力的暗物質(zhì)比原先估計(jì)的要少得多。高質(zhì)量大樣本的數(shù)據(jù)和兩種測(cè)量方法的互相驗(yàn)證，才有了相較前人精度提高一倍的結(jié)果。

“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”——大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，是由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)承擔(dān)研制的我國(guó)自主創(chuàng)新的、世界上口徑最大的大視場(chǎng)兼大口徑及光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡坐落于河北省興隆縣，作為中國(guó)天文界的第一個(gè)國(guó)家重大科學(xué)工程項(xiàng)目，于2009年6月順利通過國(guó)家驗(yàn)收。2022年9月30日，郭守敬望遠(yuǎn)鏡獲取的1660萬條光譜和791萬組恒星光譜參數(shù)星表向全世界發(fā)布，兩類數(shù)據(jù)數(shù)量均居國(guó)際首位。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡海量數(shù)據(jù)在天體物理學(xué)研究的多個(gè)領(lǐng)域取得了一系列突出進(jìn)展。其中在銀河系結(jié)構(gòu)與演化研究方面，揭示出銀河系許多新的細(xì)節(jié)：獲取了迄今為止最為精確的大樣本恒星年齡信息，按照時(shí)間序列清晰還原了銀河系幼年和青年時(shí)期的形成演化圖像，刷新了人們對(duì)銀河系早期形成歷史的認(rèn)知；通常認(rèn)為，銀盤有一個(gè)清晰的邊界，直徑10萬光年，在郭守敬望遠(yuǎn)鏡的幫助下，現(xiàn)在我們已經(jīng)清晰地知道銀河系至少有20萬光年之大；證實(shí)銀盤并非完全扁平，而是在銀盤平面兩側(cè)向不同方向彎曲，從而首次勾勒出銀河系翹曲結(jié)構(gòu)的三維空間分布特征，為人類真實(shí)地觀看銀河“炸薯片”結(jié)構(gòu)提供了直接的觀測(cè)證據(jù)。

◎ 來源|北京日?qǐng)?bào)