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银河系内潜伏着多少暗物质?

2020/7/30 14:05:05 来源:中科院物理所 浏览:

晴朗的夏季夜晚,我们能够看到跨越天空、由数不清的恒星组成的星带,然而这些恒星实际上只是我们银河系的一部分。目前科学家认为星系由看不见的“暗物质晕” 包裹,银河系外围的暗物质晕可延伸至星系盘尺度的十几倍开外。

银河系由暗物质晕包裹

除去气体,这团暗物质晕中存在着诸多恒星、星团及卫星星系等天体。从广义上来说,银河系的边界应该被定义为能够包含所有这些天体的一个合适的距离,银河系的总质量应考虑该距离内所有物质的总和。但暗物质本身并不发光,即不存在任何电磁波段的辐射,人们又该通过何种手段来探索银河系内潜伏的暗物质呢?

《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版2020年第63卷第10期刊登了关于如何通过暗物质对其他明亮天体运动的影响来间接测量银河系总质量的综述文章“The mass of our Milky Way”[1],该文章由上海交通大学天文系的王文婷副研究员及韩家信特别研究员担任通讯作者,李昭洲博士等人共同撰写。

哪些方法可间接探索银河系内潜伏的暗物质?

就和太阳对地球的引力作用一样,暗物质对银河系中的各种天体也存在引力作用。因此,尽管暗物质无法被直接看到,我们仍可以利用其他天体在暗物质影响下的运动规律来间接窥探神秘的暗物质。

就像利用地球的公转速度可以大致计算出太阳的质量一样,在银河系的星系盘上,恒星和气体绕银河系中心做规律的旋转,人们可以通过观测这些气体和恒星的旋转速度来计算对应距离内潜伏的暗物质质量;而在更远的距离处,恒星、卫星星系或球状星团虽并不做规则的旋转运动,但人们可以通过对他们的位置及速度建立模型并进行统计分析,得到理论的旋转速度[2-4];有趣的是,银河中还有一些超高速运动的恒星(部分这类恒星被认为来自于银河中央的黑洞),他们可用来有效估计银河系的逃逸速度和总质量[5];此外,卫星星系及球状星团受到潮汐力的影响,其自身的恒星会被剥离形成带状的星流,延展的星流可以跨越巨大的空间尺度(如下图),因此携带着不同距离处有关暗物质分布的宝贵信息,可用来限制暗物质晕的质量、整体形状,甚至探索暗物质潜伏在小尺度上的块状或带状子结构[6]。

银河系周边的带状星流(图片来源:NASA)

走出银河系,我们有一个邻居,仙女座大星云(M31)。实际上,银河系及M31的相对运动不仅与两者的质量决定的万有引力有关,也可能受到加速宇宙膨胀的暗能量影响。这是因为引力造成物质互相吸引,而暗能量在宇宙中的作用是使得天体相互远离。在天体间的距离较近的时候,这种宇宙膨胀效应相对物质间的引力作用来说显得较为次要,这也是为什么银河系及M31目前正在互相靠近,并将在遥远的未来发生异常激烈的星系级别的碰撞。聪明的科学家通过对两者的运动进行建模,同样能够分别测量他们的总质量[7,8]。

观测和理论的挑战——斗转星移、孜孜不倦

尽管明亮天体的运动携带了暗物质的信息,但要做到精确测量这些天体的运动却并不是一件容易的事情,或许这也是为什么在过去二十年内,人们对银河系总质量的不同测量间存在着至少2倍的差异。举例来说,我们对恒星的大概印象是:除了由地球本身自转引起的东升西落,恒星在夜空中的相对位置是不变的,星座的形态基本是固定的。而事实上,恒星的位置是会随着时间发生改变的,假如我们十万年后再观测猎户座,看到的一定不是今天的四边形——这种改变反映了恒星垂直于我们观测者视线方向的速度[9]。但人类的寿命有限,要在数年至数十年内精确测量这些微小的改变,不仅对望远镜和相关仪器设备的要求很高,科学家们还必须考虑一系列的系统误差,比如地球大气折射对恒星观测位置的影响等。

虽然困难和挑战都很大,数十年来科学家们依旧不断地坚持发展大型望远镜设备和观测技术,至今已经积累了银河系的海量观测数据。其中,中国的郭守敬望远镜(LAMOST)也做出了重要贡献[10-13]。随着欧洲空间局的大地母亲(Gaia)卫星的升空及持续观测,已经有超十亿颗恒星[14]得到了高精度的位置及速度测量。

Gaia卫星测量了银河系内超十亿颗恒星的位置及速度信息(图片来源:NASA)

同时,伴随着这些不断改进的观测技术和数据精度,人们对理论模型的要求也越来越高,为此科学家们也是孜孜不倦地针对模型的各个具体方面做出一步步的改进,并借助现代大型计算机进行高分辨率的宇宙数值模拟,用以检验理论模型[15]。

我们的银河系由暗物质主导

2018年以来,基于Gaia的观测数据,对银河系总质量的测量误差已经显著缩小,目前认为银河系的总质量数值约为太阳质量的1012倍[1],其中恒星及星系盘上的冷气体所占的比例约为5%-10%。考虑到银河系内可能存在尚未观测到的弥散热气体,这一比例将可能进一步提高。在我们的宇宙中,除去暗物质以外的其他物质的平均比例也仅为15%。总体来说,和广袤无垠的宇宙一样,我们银河系的总质量也是由潜伏着的暗物质所主导的[16-18]。

通讯作者简介

王文婷

上海交通大学天文系副研究员。2013年在中国科学院上海天文台获博士学位;2013-2016年在英国杜伦大学任博士后;2017-2019年在日本东京大学卡维理数物连携宇宙研究所任博士后。研究方向涉及小质量卫星星系及近场宇宙学、星系形成和演化、星系-暗物质晕关联、银河系动力学质量测定及恒星自行测量、宇宙大尺度结构、弱引力透镜等。

韩家信

上海交通大学天文系特别研究员,博士生导师,获得国家人才项目支持。2013年在中国科学院上海天文台获博士学位;2013-2016年在英国杜伦大学任博士后;2016-2018年在日本东京大学卡维理数物连携宇宙研究所任博士后。研究方向主要为暗物质的天体物理研究,包括通过各种理论和观测手段(数值模拟、引力透镜、动力学分析以及间接探测等)探索真实宇宙中的暗物质分布和属性。

参考文献:

[1] Wang, W., Han, J., Cautun, M., Li, Z., Ishigaki, M.N., The mass of our Milky Way, 2020, SCPMA, 63, 109801

[2] Xue, X.X., Rix, H.W., Zhao, G., Re Fiorentin, P., Naab, T., Steinmetz, M., van den Bosch, F.C., Beers, T.C., et al., The Milky Way’s circular velocity curve to 60 kpc and an estimate of the dark matter halo mass from the kinematics of ~2400 SDSS blue horizontal-branch stars, 2008, ApJ, 684, 1143

[3] Huang, Y., Liu, X.W., Yuan, H.B., Xiang, M.S., Zhang, H.W., Chen, B.Q., Ren, J.J., Wang, C., et al., The Milky Way’s rotation curve out to 100 kpc and its constraint on the Galactic mass distribution, 2016, MNRAS, 463, 2623

[4] Li, Z.Z., Qian, Y.Z., Han, J., Li, T.S., Wang, W., Jing, Y.P., Constraining the Milky Way mass profile with phase-space distribution of satellite galaxies, 2020, ApJ, 894, 10

[5] Brown, W.R., Hypervelocity stars, 2015 ARA&A, 53, 15

[6] Bonaca, A., Hogg, D.W., Price-Whelan, A.M., Conroy, C., The spur and the gap in GD-1: Dynamical evidence for a dark substructure in the Milky Way halo, 2019, ApJ, 880, 38

[7] Penarrubia, J., Gomez, F.A., Besla, G., Erkal, D., Ma, Y.Z., A timing constraint on the (total) mass of the Large Magellanic Cloud, 2016, MNRAS, 456, 54

[8] Penarrubia, J., Fattahi, A., What galaxy masses perturb the local cosmic expansion? 2017, MNRAS, 468, 1300

[9] Tian, H.J., Gupta, P., Sesar, B., Rix, H.W., Martin, N.F., Liu, C., Goldman, B., Platais, I., Kudritzki, R.P., Waters, C.Z., A Gaia-PS1-SDSS (GPS1) proper motion catalog covering 3/4 of the sky, 2017, ApJS, 232, 4

[10] Deng, L.C., Newberg, H.J., Liu, C., Carlin, J.L., Beers, T.C., Chen, L., Chen, Y.Q., Christlieb, N., et al., LAMOST Experiment for Galactic Understanding and Exploration (LEGUE) - The survey’s science plan, 2012, RAA, 12, 735

[11] Cui, X.Q., Zhao, Y.H., Chu, Y.Q., Li, G.P., Li, Q., Zhang, L.P., Su, H.J., Yao, Z.Q., et al., The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST), 2012, RAA, 12, 1197

[12] Zhao, G., Zhao, Y.H., Chu, Y.Q., Jing, Y.P., Deng, L.C., LAMOST spectral survey - An overview, 2012, RAA, 12, 723

[13] Luo, A.L., Zhao, Y.H., Zhao, G., Deng, L.C., Liu, X.W., Jing, Y.P., Wang, G., Zhang, H.T., et al. The first data release (DR1) of the LAMOST regular survey, 2015, RAA, 15, 1095

[14] Gaia Collaboration, et al., Gaia Data Release 2. Summary of the contents and survey properties, 2018, A&A, 616,1

[15] Wang, W., Han, J., Cooper, A.P., Cole, S., Frenk, C., Lowing, B., Estimating the dark matter halo mass of our Milky Way using dynamical tracers, 2015, MNRAS, 453, 377

[16] Licquia,T.C. & Newman, J.A., Improved estimates of the Milky Way’s stellar mass and star formation rate from hierarchical bayesian meta-analysis, 2015, ApJ, 806, 96

[17] Guo, Q., White, S., Li, C., Boylan-Kolchin, M., How do galaxies populate dark matter haloes? 2010, MNRAS, 404, 1111

[18] Zaritsky, D., Courtois, H., A dynamics-free lower bound on the mass of our Galaxy, 2017, MNRAS, 465, 3724

来源:中国科学杂志社

编辑:Kun

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