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起初,这个晕(yùn)让中科院上海天文台的科学家有点晕(yūn)
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2021-01-14 19:37
摘要:一桩由来已久的“失踪案”

解放日报•上观新闻报道:这是一个意外的发现,还牵扯到了一桩由来已久的“失踪案”。

在浩瀚的银河系有一个恒星盘,聚集了很多恒星。这个盘以外的区域,有个名字叫“晕”,晕里大部分是百万度高温的热气体。

起初,这个晕(yùn)让中科院上海天文台的科学家有点晕(yūn)。

原来科学家在研究银河系时,一般都假设银河系的质量是太阳质量的一万亿倍,但银河系的确切质量至今尚无定论。上海天文台的科学家一开始也是用“太阳质量的一万亿倍”作为银河系质量,结果用模型计算出来的热气体晕温度,总是比X射线太空望远镜观测到的温度更低。

“我们后来研究发现,对晕温度影响最大的参数就是银河系质量,而晕本身的质量及其所含重元素的多少对此几乎没有影响。由此我们突然想到,是否可以通过模型计算和观测的温度值进行对比,来测量银河系的质量?”郭福来研究员告诉解放日报•上观新闻记者。

这是一个全新的银河系测量方法,日前发表在国际天文学权威期刊《天体物理学杂志快报》上。以往,由于银河系中的恒星几乎不会相互碰撞,因此人类对银河系质量的测量,主要基于观测到的银河系盘或晕中恒星、星团与卫星星系的旋转或随机速度。银河系质量越大,这些无碰撞天体在平衡状态下运动得越快。到目前为止,测得的银河系质量大约是太阳质量的一万亿倍。但不同的观测方法给出的银河系总质量误差非常大,可以小到五千亿倍太阳质量以下,也可以大到两万亿倍太阳质量以上。

对银河系质量的精确测量,还事关一件“失踪案”。原来,天文观测早已提供了有力证据,表明银河系是由暗物质主导,普通物质(即元素周期表里的物质,也称重子)大约仅占银河系总质量的6%。这个比例大大低于大爆炸理论所预言的宇宙重子比例16%。还有10%的重子在哪里?有人猜测,可能有一部分就在热气体晕里……要解开银河系失踪重子之谜,关键在于精确测量银河系的总质量。

郭福来团队使用晕中的热气体作为测量银河系质量的探针,他们研究了热气体晕的空间温度与密度分布,与银河系中各种能量爆发过程的相互作用,并与X射线太空望远镜观测的结果进行比较,最终测量到的银河系质量为太阳质量的1.2-3.0万亿倍。

牵一发而动全身。这一结果使得科学家们“脑洞”大开——

首先,它暗示着银河系的大型卫星星系,例如大小麦哲伦星云和狮子座一号矮球状星系,正是因为银河系的质量产生的引力而被银河系束缚着。如果银河系质量比一万亿倍太阳质量低,它们将不受银河系的引力束缚。

其次,这意味着即使把热气体晕考虑进来,银河系仍缺失很大比例的重子。这些缺失的重子可能存在于银河系晕之外,或者正处于尚未被探测到的冷气体状态。如果银河系质量比一万亿倍太阳质量低,那么银河系将没有失踪重子问题。

第三,现代宇宙学标准模型中的冷暗物质理论预言,银河系的一些卫星星系应该比目前观测到的质量更大。如果银河系质量低于太阳质量的1万亿倍,标准模型的预言与观测相符。现在则表明模型预言与观测不一致,说明有可能暗物质并不是冷的,也可能我们还没有全面正确地理解星系形成过程。

这是第一次利用热气体晕的温度测量了银河系质量。“我们工作最重要的贡献也许是提供了一种完全独立的新方法来测量银河系质量。与传统运动学方法相结合,它可以对银河系质量做出更精确的测量。”郭福来说。

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:视觉中国 图片编辑:徐佳敏
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