利用超高速恒星确定银河系的质量

【博科园-科学科普】几个世纪以来，天文学家一直在研究太阳系以外的星系，以了解更多关于银河系的信息。然而还有很多关于它的东西，比如知道它的精确质量。确定这一点对于了解星系形成的历史和宇宙的演化是很重要的，因此天文学家们尝试了各种方法来测量银河系的真实质量。

超速度恒星的概念图，它已经逃离了银河系。图片:NASA

到目前为止这些方法都没有特别成功。然而来自哈佛-史密森天体物理中心的一组研究人员的一项新研究提出了一种新的有趣的方法来确定银河系的质量。通过使用超速度恒星(HVSs)作为参考点从星系中心发射出来，他们声称我们可以测量我们星系的质量。

他们的研究标题为“测量银河系的高速恒星”，最近发表在《天文学和天体物理学》杂志上。这项研究是由罗马大学的天体物理学家Giacomo Fragione博士和教授亚伯拉罕·勒布(Abraham Loeb)共同完成的，他是哈佛大学天文系系主任、科学教授，同时也是哈佛大学理论与计算研究所所长。

恒星在银河中飞驰，图片：NASAS

要弄清楚确定银河系的质量并不是一个简单的任务。一方面观测是困难的，因为太阳系位于星系本身的圆盘深处。但与此同时我们星系的暗物质光环也存在，因为它不是“发光的”，因此很难测量，因此传统的探测方法是看不到的。

目前对星系总质量的估计是基于气体和球状星团的潮汐流的运动，它们都受到星系引力质量的影响。但到目前为止这些测量已经产生了大量的估计，从一到几万亿的太阳质量，精确测量银河系的质量对天文学家来说是非常重要的：

银河系为检验标准宇宙模型提供了一个实验室。这个模型预测银河系中卫星星系的数量取决于它的质量。当将预测与已知卫星星系的人口普查进行比较时，我们必须了解银河系的质量。此外总质量校准了看不见的(黑暗)物质的数量，并设置了重力势阱的深度，暗指恒星移动到星系间空间的速度应该有多快。

为了他们的研究，Loeb教授和Fragione博士选择了一种新颖的方法，即模拟HVSs的运动来确定我们星系的质量。到目前为止在我们的银河系中已经发现了超过20个HVSs，它们的速度达到了700千米/秒(435英里/秒)，距离银河系中心大约100到5万光年。

螺旋星系(类似于银河系)向外移动的超高速度恒星的概念图。图片：Ben Bromley, University of Utah

由于双星与超大质量黑洞(SMBH)在我们银河系中心的相互作用，这些恒星被认为已经从我们的星系中心喷射出来。人马座A 虽然它们的确切原因仍然是争论的主题，但HVSs的轨道可以计算出来，因为它们完全由星系的引力场决定。

正如他们在研究中解释的那样，研究人员利用星系晕中恒星径向速度分布的不对称性来确定星系的引力势。这些光环恒星的速度取决于HVSs的可能逃逸速度，前提是HVSs完成单一轨道所需的时间比光环恒星的生命周期短。

从这一点上能够辨别出不同的银河模型和它所产生的引力。通过采用这些观测到的HVSs的名义旅行时间，计算了大约3.3亿年与光晕恒星的平均寿命相同——他们能够得出银河系的引力估计，这使得对其总体质量的估计。

通过校准未束缚恒星的最低速度，发现银河系的质量在1.2 - 1.9万亿倍太阳质量范围内，”尽管仍受一定范围的影响，但这一最新估计比之前的估计有很大的改善。更重要的是这些估计是一致的，目前的宇宙模型试图解释宇宙中所有可见物质，以及暗物质和暗能量——cdm模型。

暗物质的分布在宇宙大约30亿岁时，从星系形成的数值模拟中得到。图片版权：VIRGO Consortium/Alexandre Amblard/ESA

在标准宇宙模型中推断出的银河系质量是在预期范围内的，在那里暗物质的数量大约是普通(发光)物质的5倍。

根据这一分类可以认为我们星系的正常物质——恒星、行星、尘埃和气体——在240到3800亿太阳质量之间。因此这一最新研究不仅为我们的银河系提供了更精确的质量约束，它还可以帮助我们确定到底有多少颗恒星系统——据目前的估计银河系有200到4000亿颗恒星和1000亿颗行星。

除此之外这项研究也对宇宙形成和进化的研究具有重要意义。通过对我们的星系质量进行更精确的估计，那些与正常物质和暗物质的当前崩溃相一致的，宇宙学家将能够更准确地描述我们的宇宙是如何形成的。在最伟大的尺度上，一步也能理解宇宙！

参考：Harvard Smithsonian CfA, Astronomy and Astrophysics