利用超高速恆星確定銀河系的質量

【博科園-科學科普】幾個世紀以來，天文學家一直在研究太陽系以外的星系，以了解更多關於銀河系的信息。然而還有很多關於它的東西，比如知道它的精確質量。確定這一點對於了解星系形成的歷史和宇宙的演化是很重要的，因此天文學家們嘗試了各種方法來測量銀河系的真實質量。

超速度恆星的概念圖，它已經逃離了銀河系。圖片:NASA

到目前為止這些方法都沒有特別成功。然而來自哈佛-史密森天體物理中心的一組研究人員的一項新研究提出了一種新的有趣的方法來確定銀河系的質量。通過使用超速度恆星(HVSs)作為參考點從星系中心發射出來，他們聲稱我們可以測量我們星系的質量。

他們的研究標題為「測量銀河系的高速恆星」，最近發表在《天文學和天體物理學》雜誌上。這項研究是由羅馬大學的天體物理學家Giacomo Fragione博士和教授亞伯拉罕·勒布(Abraham Loeb)共同完成的，他是哈佛大學天文系系主任、科學教授，同時也是哈佛大學理論與計算研究所所長。

恆星在銀河中飛馳，圖片：NASAS

要弄清楚確定銀河系的質量並不是一個簡單的任務。一方面觀測是困難的，因為太陽系位於星系本身的圓盤深處。但與此同時我們星系的暗物質光環也存在，因為它不是「發光的」，因此很難測量，因此傳統的探測方法是看不到的。

目前對星系總質量的估計是基於氣體和球狀星團的潮汐流的運動，它們都受到星系引力質量的影響。但到目前為止這些測量已經產生了大量的估計，從一到幾萬億的太陽質量，精確測量銀河系的質量對天文學家來說是非常重要的：

銀河係為檢驗標準宇宙模型提供了一個實驗室。這個模型預測銀河系中衛星星系的數量取決於它的質量。當將預測與已知衛星星系的人口普查進行比較時，我們必須了解銀河系的質量。此外總質量校準了看不見的(黑暗)物質的數量，並設置了重力勢阱的深度，暗指恆星移動到星系間空間的速度應該有多快。

為了他們的研究，Loeb教授和Fragione博士選擇了一種新穎的方法，即模擬HVSs的運動來確定我們星系的質量。到目前為止在我們的銀河系中已經發現了超過20個HVSs，它們的速度達到了700千米/秒(435英里/秒)，距離銀河系中心大約100到5萬光年。

螺旋星系(類似於銀河系)向外移動的超高速度恆星的概念圖。圖片：Ben Bromley, University of Utah

由於雙星與超大質量黑洞(SMBH)在我們銀河系中心的相互作用，這些恆星被認為已經從我們的星系中心噴射出來。人馬座A 雖然它們的確切原因仍然是爭論的主題，但HVSs的軌道可以計算出來，因為它們完全由星系的引力場決定。

正如他們在研究中解釋的那樣，研究人員利用星系暈中恆星徑向速度分布的不對稱性來確定星系的引力勢。這些光環恆星的速度取決於HVSs的可能逃逸速度，前提是HVSs完成單一軌道所需的時間比光環恆星的生命周期短。

從這一點上能夠辨別出不同的銀河模型和它所產生的引力。通過採用這些觀測到的HVSs的名義旅行時間，計算了大約3.3億年與光暈恆星的平均壽命相同——他們能夠得出銀河系的引力估計，這使得對其總體質量的估計。

通過校準未束縛恆星的最低速度，發現銀河系的質量在1.2 - 1.9萬億倍太陽質量範圍內，」儘管仍受一定範圍的影響，但這一最新估計比之前的估計有很大的改善。更重要的是這些估計是一致的，目前的宇宙模型試圖解釋宇宙中所有可見物質，以及暗物質和暗能量——cdm模型。

暗物質的分布在宇宙大約30億歲時，從星系形成的數值模擬中得到。圖片版權：VIRGO Consortium/Alexandre Amblard/ESA

在標準宇宙模型中推斷出的銀河系質量是在預期範圍內的，在那裡暗物質的數量大約是普通(發光)物質的5倍。

根據這一分類可以認為我們星系的正常物質——恆星、行星、塵埃和氣體——在240到3800億太陽質量之間。因此這一最新研究不僅為我們的銀河系提供了更精確的質量約束，它還可以幫助我們確定到底有多少顆恆星系統——據目前的估計銀河系有200到4000億顆恆星和1000億顆行星。

除此之外這項研究也對宇宙形成和進化的研究具有重要意義。通過對我們的星系質量進行更精確的估計，那些與正常物質和暗物質的當前崩潰相一致的，宇宙學家將能夠更準確地描述我們的宇宙是如何形成的。在最偉大的尺度上，一步也能理解宇宙！

參考：Harvard Smithsonian CfA, Astronomy and Astrophysics

作者：Matt Williams

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

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