銀河系邊緣的恒星運(yùn)行速度較慢 銀河系核心的暗物質(zhì)含量可能比之前估計(jì)的要少。圖像：uux.cn/皇家天文學(xué)會(huì)每月通知（2024年）。系邊系核心DOI: 10.1093/mnras/stae034
（神秘的恒星地球uux.cn）據(jù)麻省理工學(xué)院（詹妮弗·朱）：通過(guò)記錄銀河系中恒星的速度，麻省理工學(xué)院的速度物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，與距離銀河系中心較近的較慢恒星相比，銀河系盤(pán)面較遠(yuǎn)的暗物恒星運(yùn)行速度比預(yù)期的要慢。這些發(fā)現(xiàn)提出了一個(gè)令人驚訝的質(zhì)含之前可能性:銀河系的引力核心可能比以前認(rèn)為的質(zhì)量更輕，包含的估計(jì)暗物質(zhì)更少。
新的銀河緣的運(yùn)行銀河結(jié)果是基于該團(tuán)隊(duì)對(duì)蓋亞和遠(yuǎn)地點(diǎn)儀器采集的數(shù)據(jù)的分析。蓋亞是系邊系核心一個(gè)軌道太空望遠(yuǎn)鏡，可以跟蹤銀河系中10億多顆恒星的恒星精確位置、距離和運(yùn)動(dòng)，速度而遠(yuǎn)地點(diǎn)是較慢一個(gè)地面測(cè)量。
這些物理學(xué)家分析了蓋亞對(duì)33，暗物000多顆恒星的質(zhì)含之前測(cè)量結(jié)果，包括銀河系中一些最遠(yuǎn)的恒星，并確定了每顆恒星的“圓周速度”，即恒星在銀河系盤(pán)面上的旋轉(zhuǎn)速度，前提是恒星與銀河系中心的距離。
科學(xué)家們繪制了每顆恒星的速度與距離的關(guān)系圖，以生成一條旋轉(zhuǎn)曲線——這是天文學(xué)中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖表，代表了物質(zhì)在距離星系中心給定距離的情況下旋轉(zhuǎn)的速度。這條曲線的形狀可以讓科學(xué)家了解整個(gè)星系中分布著多少可見(jiàn)物質(zhì)和暗物質(zhì)。
麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授Lina Necib說(shuō):“我們真正驚訝地看到，這條曲線在一定距離內(nèi)保持平坦、平坦、平坦，然后開(kāi)始下降。”“這意味著外層恒星的旋轉(zhuǎn)速度比預(yù)期的要慢一點(diǎn)，這是一個(gè)非常令人驚訝的結(jié)果?！?br>該團(tuán)隊(duì)將新的旋轉(zhuǎn)曲線轉(zhuǎn)化為暗物質(zhì)的分布，可以解釋外層恒星的減速，并發(fā)現(xiàn)由此產(chǎn)生的地圖產(chǎn)生了比預(yù)期更亮的銀河系核心。也就是說(shuō)，銀河系中心的密度可能比科學(xué)家想象的要低，暗物質(zhì)也更少。
“這使得這一結(jié)果與其他測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生了矛盾，”Necib說(shuō)?！霸谀硞€(gè)地方有可疑的事情發(fā)生，弄清楚那個(gè)地方真的很令人興奮，真的有一張銀河系的連貫照片。”
該團(tuán)隊(duì)在《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》上報(bào)告了他們的研究結(jié)果。該研究的麻省理工學(xué)院合著者，包括Necib，是第一作者肖偉歐，安娜克里斯蒂娜艾勒斯和安娜弗雷貝爾。
“在虛無(wú)中”
像宇宙中的大多數(shù)星系一樣，銀河系像漩渦中的水一樣旋轉(zhuǎn)，它的旋轉(zhuǎn)在某種程度上是由所有在其圓盤(pán)內(nèi)旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)驅(qū)動(dòng)的。20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家薇拉·魯賓首次觀察到星系的旋轉(zhuǎn)方式不能純粹由可見(jiàn)物質(zhì)驅(qū)動(dòng)。
她和她的同事測(cè)量了恒星的圓周速度，發(fā)現(xiàn)由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)曲線出人意料地平坦。也就是說(shuō)，恒星的速度在整個(gè)星系中保持不變，而不是隨著距離的增加而下降。他們得出結(jié)論，一定是其他類(lèi)型的不可見(jiàn)物質(zhì)對(duì)遙遠(yuǎn)的恒星產(chǎn)生了作用，給了它們一個(gè)額外的推力。
魯賓在旋轉(zhuǎn)曲線方面的工作是證明暗物質(zhì)存在的第一批有力證據(jù)之一。暗物質(zhì)是一種看不見(jiàn)的未知實(shí)體，估計(jì)比宇宙中所有的恒星和其他可見(jiàn)物質(zhì)都重。
此后，天文學(xué)家在遙遠(yuǎn)的星系中觀察到了類(lèi)似的平坦曲線，進(jìn)一步支持了暗物質(zhì)的存在。直到最近，天文學(xué)家才試圖繪制我們銀河系中恒星的旋轉(zhuǎn)曲線。
歐指出:“事實(shí)證明，當(dāng)你坐在一個(gè)星系中時(shí)，很難測(cè)量旋轉(zhuǎn)曲線?！?br>2019年，麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授安娜-克里斯蒂娜·艾勒斯（Anna-Christina Eilers）利用蓋亞衛(wèi)星發(fā)布的一批早期數(shù)據(jù)繪制了銀河系的旋轉(zhuǎn)曲線。發(fā)布的數(shù)據(jù)包括距離銀河系中心25千秒差距，約81，000光年的恒星。
根據(jù)這些數(shù)據(jù)，艾勒斯觀察到銀河系的旋轉(zhuǎn)曲線似乎是平坦的，盡管與其他遙遠(yuǎn)的星系相似，只是略有下降。根據(jù)推斷，銀河系的核心可能含有高密度的暗物質(zhì)。但這一觀點(diǎn)現(xiàn)在發(fā)生了轉(zhuǎn)變，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡發(fā)布了新一批數(shù)據(jù)，這次包括了距離銀河系核心近10萬(wàn)光年的30千秒差距的恒星。
弗雷貝爾說(shuō):“在這些距離上，我們就在星系的邊緣，那里的恒星開(kāi)始逐漸減少?！薄皼](méi)有人探索過(guò)物質(zhì)如何在這個(gè)外星系中運(yùn)動(dòng)，而我們實(shí)際上處于虛無(wú)之中?！?br>奇怪的緊張氣氛
弗雷貝爾、內(nèi)西布、歐和艾勒斯跳到了蓋亞的新數(shù)據(jù)上，希望在艾勒斯的初始旋轉(zhuǎn)曲線上進(jìn)行擴(kuò)展。為了完善他們的分析，研究小組用遠(yuǎn)地點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果補(bǔ)充了蓋亞的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)地點(diǎn)是阿帕奇點(diǎn)天文臺(tái)的銀河演化實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)測(cè)量了銀河系中70多萬(wàn)顆恒星的極其詳細(xì)的屬性，例如它們的亮度、溫度和元素組成。
“我們將所有這些信息輸入一種算法，試圖學(xué)習(xí)它們之間的聯(lián)系，從而可以更好地估計(jì)恒星的距離，”歐解釋說(shuō)。“這就是我們?nèi)绾蜗蚋h(yuǎn)的地方推進(jìn)的方法?！?br>該團(tuán)隊(duì)確定了33，000多顆恒星的精確距離，并使用這些測(cè)量結(jié)果生成了散布在銀河系中大約30千秒差距的恒星的三維地圖。然后，他們將這張地圖整合到一個(gè)圓周速度模型中，根據(jù)銀河系中所有其他恒星的分布情況，模擬任何一顆恒星的運(yùn)動(dòng)速度。然后，他們?cè)趫D表上繪制了每顆恒星的速度和距離，以產(chǎn)生銀河系的最新旋轉(zhuǎn)曲線。
“這就是奇怪的地方，”內(nèi)西布說(shuō)。
研究小組沒(méi)有看到像以前的旋轉(zhuǎn)曲線那樣的溫和下降，而是觀察到新曲線在外端的下降幅度比預(yù)期的更大。這種意想不到的下降表明，雖然恒星在某一距離上的速度可能一樣快，但在最遠(yuǎn)的距離上它們會(huì)突然減速。郊區(qū)的恒星似乎比預(yù)期的移動(dòng)得更慢。
當(dāng)研究小組將這一旋轉(zhuǎn)曲線轉(zhuǎn)換為整個(gè)銀河系中必須存在的暗物質(zhì)數(shù)量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)銀河系核心所含的暗物質(zhì)可能比之前估計(jì)的要少。
“這一結(jié)果與其他測(cè)量結(jié)果相矛盾，”Necib說(shuō)?！罢嬲斫膺@一結(jié)果將產(chǎn)生深刻的反響。這可能會(huì)導(dǎo)致更多的隱藏質(zhì)量超出銀河系盤(pán)的邊緣，或者重新考慮我們銀河系的平衡狀態(tài)。我們?cè)噲D在即將到來(lái)的工作中找到這些答案，使用類(lèi)似銀河系的高分辨率模擬。”