是什么刺穿了银河系？

来源：《原理》微信公众号

哈佛史密森天体物理中心的研究员Ana Bonaca发现，我们的银河系好像被一种我们无法看见的“黑暗撞击物”撞出了破洞！天文学家认为，这一神秘的撞击物可能不是由普通物质构成的，望远镜也还没有直接探测到它。它究竟是什么？

1. 当恒星坠入银河

4月15日，Bonaca在美国物理学会（APS）会议上展示了她所发现的证据：一系列存在于银河系的最长星流GD-1上的破洞。星流是一连串围绕星系运动的恒星，它们曾经可能是一个球状星团或者矮星系，在星系（比如在这里是银河系）引力的巨大潮汐作用下，沿着两个方向被撕裂、拉伸形成了星流。GD-1中的恒星就是在很久以前坠入银河系的“球状星团”的残余，它们在天空中伸展开来，形成一条长长的线。

○ 星流围绕着银河系形成一条长长的线。| 图片来源：NASA

总的来说，GD-1星流应该是一条平滑的线形，除了说天文学家认为在这些恒星被撕裂之前，原先球状星团所在的位置会出现一个缺口。但Bonaca奇怪地发现，GD-1中还有第二个缺口，而且那道缺口的边缘非常参差不齐，Bonaca称它为GD-1的“刺”。整个画面看起来就像是星流被什么巨大的东西快速击穿了一样。

○ 在迄今为止最精确的GD-1星流的图像中，Bonaca发现了第二个缺口（左侧的Gap）和缺口边缘的“刺”（spur）。| 图片来源：New Astrophysical Probes of Dark Matter, Ana Bonaca/GAIA

Bonaca表示，他们无法将撞击物与任何已观测到的发光物体对应起来，它比恒星要大得多，大约有一百万个太阳质量。所以基本排除了是恒星导致的可能性。

那么它是否有可能是一个黑洞？Bonaca介绍说，如果它是一个黑洞，那它将会是我们在银河系中心发现的那种超大质量黑洞。虽然大多数大星系似乎只会有中心的一个超大质量黑洞，但在银河系中存在第二个超大质量黑洞并非不可能的事。不过如果真的是由黑洞导致的，那么我们应该还能观察到一些其他迹象，比如耀斑或者来自吸积盘的辐射。

○ （上）观测到的GD-1星流的实际形态有两个缺口和一个“刺”；（下）计算机模拟预测的GD-1星流的形态是一条光滑的曲线，只有一个缺口。| 图片来源：New Astrophysical Probes of Dark Matter, Ana Bonaca/GAIA

它也有可能是一个发光的物体，在”肇事“后已经逃去了银河系的某个地方。但这种可能性似乎不太高，部分原因是由于这个物体的尺寸是在太大了。它的直径大约为10到20个秒差距（相当于30到65光年），大概有一个球状星团那么大。

不过我们很难完全排除它是发光物体这一可能性，因为要真正弄清这一点，研究人员必须知道它在撞击过程中的移动速度有多快。Bonaca说，它可能移动得非常快，但没有预想的那么重，就像是一颗“黑暗的子弹”一样；或者也有可能是它移动得要稍微要慢一些，但质量非常大，就像是一把“黑暗的锤子”。如果不知道这个物体的速度有多快，天文学家就无法最终确定它到底是什么。

○ （上）观测到的GD-1星流的实际形态；（下）在考虑GD-1星流与一个又大又重的物体相互作用后，计算机模拟预测的GD-1星流的形态中出现了第二个缺口和边缘的“刺”。| 图片来源：New Astrophysical Probes of Dark Matter, Ana Bonaca/GAIA

2. 是暗物质吗？

由于既没有发现什么巨大而明亮的物体撞击了GD-1，也没有证据表明银河系中存在第二个隐藏的超大质量黑洞，所以一个更显而易见的选项就是这可能是一大块暗物质。这一发现让我们为找到一个真正由暗物质构成的物体燃起了新的希望。

目前，我们还不知道暗物质到底是什么。那些我们能够看见的发光物质只不过是宇宙中物质的一小部分。从星系聚集在一起的方式来看，似乎有什么很重的东西聚集在它们中心，并产生了巨大的引力。

正因如此，大多数物理学家才认为宇宙中还存在一些其他的物质，一些我们看不见的物质。关于暗物质是由什么构成的，也存在很多不同的观点，但到目前为止我们都还没有直接探测到暗物质。

一个由看不见的物质构成的致密球体穿过我们的银河系，为物理学家提供了新的思路来证明暗物质的存在。而且这将表明暗物质确实是”块状的“，正如大多数根据暗物质的行为提出的理论所预测的那样。

如果暗物质确实呈块状，那么它会聚集成不规则的块状，粗糙地分布在星系中，很像我们在恒星和星云中看到的发光物质。一些别的理论认为它们不是块状的，暗物质在星系中是均匀分布的。还有的理论认为暗物质根本不存在。

3. 为银河系绘制地图

Bonaca是依靠盖亚任务（Gaia）中的数据才作出这一发现的，盖亚任务是欧洲航天局（ESA）的一个计划，旨在绘制银河系中数十亿颗恒星以及它们在天空中的运动。Gaia为我们提供了现有的关于GD-1星流的最佳恒星目录。

通过利用亚利桑那州的多镜面望远镜（MMT）中的观测数据，Bonaca的这一观点得到了支持。MMT清晰地显示了哪些恒星正在向着地球移动，而哪些正在远离地球。这有助于区分那些真正跟随GD-1星流移动的恒星，和那些只是出现在GD-1附近的恒星。它为我们提供了迄今为止最精确的GD-1图像，正是这张图像揭示了星流中的第二个缝隙、缝隙边缘的刺，以及此前未被发现的一个区域。

Bonaca的发现是独一无二的，这是一个非常新的发现，它甚至还没被发表在同行评审的期刊上。不过这一发现一经公布，就已获得了许多物理学家的赞赏。Bonaca说，未来她想进行更多的绘制工作，来发现更多类似于这种被黑暗子弹击穿过的破洞，而她最终的目标将是绘制出整个银河系的暗物质团块。

参考链接：

[1] https://www.livescience.com/65483-dark-impactor-could-be-dark-matter.html

[2] https://absuploads.aps.org/presentation.cfm?pid=15143