美科学家使用新方法测定银河系精确质量

▲这是卫星星系和寄主星系合并时的艺术想象图：这些高悬在银河系上方的星流是数十亿年间被我们星系的引力撕碎的星系和星团的遗迹。这些星流跨越北天的很大部分，距离地球13000到130000光年。

确定一个星系的质量看起来是一项深奥的任务，但科学家们认为这是揭示难以捉摸、尚未看到的暗物质本质和我们宇宙结构的关键。

根据美国亚利桑那大学的Ekta Patel领导的一个研究小组的工作，一种估计星系质量的新方法可以得到更可靠的结果，特别是应用于当前和未来巡天所产生的大量数据时。近期在《天体物理学杂志》上发表的这项研究首次实现了将观测得到的一些银河系卫星星系的三维运动与广泛的计算机模拟结合起来以获取我们星系质量的高精度估计。

确定星系的质量对于揭开宇宙体系结构的基本奥秘起着关键作用。根据当前的宇宙学模型，星系的可见物质，例如恒星、气体和尘埃，只占星系质量的百分之十五。人们相信剩下的百分之八十五是暗物质——一种从未看到、物理性质很大程度上仍然未知的神秘成分。绝大多数星系的质量（大部分是暗物质）位于星系晕中。这是一个几乎没有恒星的周边区域，其形状在很大程度上还尚未为人所知。

在一个广为接受的宇宙学模型中，暗物质丝状结构（filaments）横跨整个宇宙。它们把发光（“普通”）物质拖到身边。在它们交汇的地方，气体和尘埃聚集、塌缩形成星系。在数十亿年间，小星系合并形成更大的星系，随着这些星系长大，它们的引力深入越来越远的空间。它们吸引了一堆其他小星系，这些星系后来变成卫星星系。它们的轨道由寄主星系决定，就像太阳的引力决定了太阳系中行星和天体的运动一样。

“我们现在知道宇宙正在膨胀。”亚利桑那大学天文系和Steward天文台的四年级研究生Patel说。“但当两个星系足够靠近时，它们相互之间的引力比膨胀宇宙的影响大，于是它们开始围绕一个共同的中心运动，就像我们的银河系和我们最近的邻居，仙女座星系。”

尽管仙女座星系以110千米每秒的速度靠近银河系，但这两个星系要到大约45亿年之后才会合并。根据Patel的说法，追踪仙女座星系的运动“相当于在月球距离观察人的头发生长。”

因为不可能仅仅通过看一个星系来为它称重——更不用说观测者正好在它里面了，我们的银河系就是这种情况——研究人员通过研究天体围绕寄主星系、由寄主星系引力主导的运动来推断星系的质量。这些天体——也被称为示踪物，因为它们追踪了寄主星系的质量——可以是卫星星系或者以前由于太靠近而无法全身而退的星系所产生的星流。

与之前通常用于估计星系质量的方法（例如测量示踪物的速度和位置）不同，Patel和她的合作者发展的这个方法使用示踪物的角动量，会给出更可靠的结果，因为角动量不随时间变化。物体在空间中的角动量依赖于其距离和速度。卫星星系往往在椭圆轨道上绕银河系运动，它们的速度随着它们靠近我们的星系而增加，随着远离而减小。而角动量是位置和速度的乘积，不管示踪物在轨道上最近还是最远的位置都没有变化。

“想象一个花样滑冰运动员做一个旋转，”Patel说。“当她收回手臂时，她转得更快。换句话说，她的速度变了，但她的角动量在整个过程中保持不变。”

6月7日，Patel在丹佛举行的美国天文学会第232次会议上报告了这项研究。它首次关注银河系50个已知的卫星星系中九个的三维运动，并将它们的角动量测量和一个包含总共20000个与我们自己的星系类似的寄主星系的模拟宇宙相比较。这些模拟的寄主星系含有大约90000个卫星星系。

Patel的研究团队将银河系的质量确定为9600亿太阳质量。先前估计我们星系质量在7000亿太阳质量到20000亿太阳质量之间。这些结果进一步表明仙女座星系（M31）比我们的银河系质量更大。

作者希望将它们的方法用于当前和未来的星系巡天（例如Gaia空间天文台和LSST，大型综合巡天望远镜）不断产生的数据。根据文章合作者、亚利桑那大学天文系助理教授Gurtina Besla的说法，对卫星星系速度的新观测，以及下一代模拟将提供更高分辨率，使得科学家能得到对最小质量的示踪物（所谓的极暗星系）更好的统计，对银河系质量的限制将得到改善。

“我们的方法允许我们在利用多个卫星星系速度的同时以稳健的方式就冷暗物质理论对银河系暗晕质量的预言获得一个答案。”Besla说。“它非常适合利用当前观测数据和数值能力的快速增长。”

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  编译：钱磊 审稿：西莫 编辑：程建兰

来源： https://www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180606173803.htm