銀河系的“體重”也能“稱”出來嗎？

宋楠

一支國際合作團隊近日利用我國郭守敬望遠鏡以及歐空局“蓋亞”空間望遠鏡的數據，精確測量出銀河系的質量為5500億倍的太陽質量。該結果與國際其他團隊測量的平均值（約1萬億倍太陽質量）相比，小了近一半，測量結果的精度卻幾乎翻倍。人類是如何一步步認識我們所處的銀河系的？對于銀河系質量的測量有哪些重要價值？天文學家又發明了哪些巧妙的“稱重”方法？

皎皎銀河，星光燦爛，人類從仰望星空的那一刻起，便對夜空中明亮條帶——銀河展開了無窮的想象，中國古代認為它是分隔牛郎織女的天河，西方則認為它是天后赫拉的乳汁形成的“奶路”。而隨著近代天文望遠鏡的出現，人類也開始慢慢從科學的角度一步步認識銀河。

17世紀初，伽利略第一次將望遠鏡指向夜空，發現淡淡的銀河其實是由無數顆恒星組成的，開啟了人類利用天文設備研究銀河系的大門。那銀河系在夜空中究竟是什么樣子呢？18世紀后期，英國天文學家威廉·赫歇爾花費十余年時間，用望遠鏡將天上的星星數了一遍，并記錄下它們分布的位置和數量，手繪出了第一幅銀河系畫像，揭示出銀河系是一個接近扁平的結構。

隨著大型望遠鏡設備的發展，通過沙普利等一代代天文學家的努力，目前人類已經認識到，銀河系看起來是一個扁平的盤狀結構，主要由三部分組成：盤子的中心部分是凸起的明亮核球；核球往外延伸是銀盤，絕大多數的恒星聚集于盤上；銀盤外圍還有一個很稀疏的球狀空間，被稱為銀暈。我們所在的太陽系位于銀河系中心2.6萬光年遠的地方，由于萬有引力作用，圍著銀河系中心繞轉。

提到恒星繞著銀河系中心旋轉，科學家們卻發現了反常的現象。通過測量銀河系中心以外不同距離處物質的繞轉速度，可以繪制出銀河系的旋轉曲線圖。按照銀河系中可見物質的觀測范圍，在距離銀河系中心半徑5萬光年外，就幾乎看不到有恒星和塵埃氣體存在了，換句話說，那個距離外測量到的物質繞轉速度，應該逐漸減小才對。但實際測量結果卻令科學家大吃一驚，在銀河系可見邊界的外圍，物質的繞轉速度不降反升，這并不符合牛頓的萬有引力定律。仿佛有一只看不見的手，在支撐著銀河系外圍物質繞銀心高速旋轉。不僅僅是銀河系，很多其他星系也發現了類似的旋轉曲線，科學家就此引入了暗物質的猜想。

天文學家們之所以非常重視對銀河系“稱重”，最核心的還是因為銀河系的“體重”與暗物質息息相關，而暗物質又對星系形成演化和周遭環境物質產生重要影響。

銀河系的一部分質量由可見物質組成，也就是能夠用各個波段望遠鏡探測到的恒星、氣體和塵埃等，比如目前我們已知銀河系中大約有1000億至4000億顆恒星，它們的質量占整個可見物質的96%，剩下3%是氣體，1%是塵埃，這一部分質量大小和分布范圍在各種望遠鏡探測下已經相對比較明確。而剩下不可見的暗物質，究竟質量有多少，具體是如何分布的，因為與銀河系很多性質息息相關而備受科學家關注。

首先，銀河系質量尤其是暗物質質量的大小和分布情況，對研究銀河系的起源和演化非常重要。其次，銀河系周圍，還存在很多離它較近質量較小的衛星星系，銀河系質量的多少，也影響著它與衛星星系的關系，以及能否有足夠的引力將衛星星系束縛在軌道上。對銀河系質量的精確測量，也是對宇宙中其他星系質量研究的有益補充和重要參考。

然而，給銀河系“稱重”真正操作起來卻是困難重重。因為暗物質不發光，無法利用望遠鏡直接觀測，我們只能借助其他發光天體在暗物質引力作用下的運動規律來推斷暗物質的質量和分布。測量籠罩在銀河系周圍的暗物質分布情況，更多需要借助銀盤之外的遙遠天體，它們環繞銀河系運動一圈的時間極其漫長，而且距離越遠越難以觀測，可用的樣本數量少、數據質量差。此外，與直接測量相比，這種間接手段必然會在數據收集和處理過程中帶來各種誤差，影響“稱重”的精度。這些原因也導致銀河系質量一直是銀河系所有基本物理參數中最不準確的一個。

天文學家們之所以非常重視對銀河系“稱重”，最核心的還是因為銀河系的“體重”與暗物質息息相關，而暗物質又對星系形成演化和周遭環境物質產生重要影響。

面對重重困難挑戰和充滿未知的暗物質，科學家們不斷利用最新的數據，嘗試新的方法，試圖提高“稱重”精度，得到更準確的結果。在過去的20多年間，文獻中可以找到不下50組對銀河系總質量的測量結果，但這些結果相互之間具有不小的差別，是一個覆蓋了0.5萬億至2萬億倍太陽質量的寬泛范圍。

計算銀河系質量的理論方法并不太復雜。根據萬有引力定律，可見物質的旋轉速度、逃逸速度和速度彌散都可以有效地估計銀河系的質量。

在銀暈上不同位置的恒星樣本在繞銀心旋轉時，軌道內的質量提供了繞轉的速度，如果能夠測量速度和距離，結合相應模型，就可以推算出相應軌道內的質量。換句話說，銀河系越重，重力對自轉的影響越大，恒星穿過圓盤的速度就越快。許多不同團隊利用不同樣本得到的銀河系質量為太陽質量的1萬億至2萬億倍之間。

還有一種方法，科學家在銀暈中找到一些超高速星，它們正在以極快的速度飛離銀河系，逃出銀河系的引力束縛范圍。通過對超高速星逃逸速度的測量和運動軌跡的推算，可以給出相應位置的重力勢能，從而估計銀河系的質量分布和大小。2017年，哈佛大學阿維·勒布教授和他的合作者就利用超高速星樣本得到銀河系質量在1.2萬億至1.9萬億倍太陽質量范圍內。

除了較為傳統的方法外，2020年年底，中國科學院上海天文臺郭福來研究員帶領的團隊，首次利用銀河系周圍星系周介質中的熱氣體溫度測量了銀河系總質量，是太陽質量的1.2萬億至3萬億倍。銀河系熱氣體暈趨于穩定狀態后，溫度分布受銀河系總質量的影響最敏感，即銀河系質量越高，熱氣體暈的溫度就越高。

天文學相比于其他理工類學科而言，由于研究對象更加遙遠，一方面需要更加先進的觀測設備，需要不同位置和性能的望遠鏡協同配合，海量的數據需要更多的合作；另一方面作為純基礎科學研究，不直接產生經濟利益，所以天文學研究更加注重國際合作與交流，是最為開放的學科之一。

本次最新的銀河系質量測量成果，是由三峽大學、中國科學院國家天文臺、澳大利亞斯溫伯恩理工大學以及上海交通大學等單位組成的國際研究團隊，利用我國郭守敬望遠鏡的海量光譜和歐空局“蓋亞”空間望遠鏡的高精度自行數據相結合所作出的。郭守敬望遠鏡是目前世界上光譜獲取率最高的望遠鏡，而“蓋亞”空間望遠鏡則擁有數量最大、精度最高的天體測量數據。

利用中國和歐洲世界領先望遠鏡獲取的數據，研究團隊最終精選出1萬多顆“均勻”的銀暈恒星作為樣本，該樣本不僅數量多、覆蓋范圍大（20萬光年范圍），而且每顆星都精確測定了三維位置、三維速度以及金屬豐度。研究團隊最終通過兩種方法測得了較為一致的銀河系質量，約為5500億倍太陽質量。

這一結果表明，銀河系可能比先前研究普遍認為的還要再“苗條”一半。這意味著銀河系中不發光但產生引力的暗物質比原先估計的要少得多。高質量大樣本的數據和兩種測量方法的互相驗證，才有了相較前人精度提高一倍的結果。

“郭守敬望遠鏡”——大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡，是由中國科學院國家天文臺承擔研制的我國自主創新的、世界上口徑最大的大視場兼大口徑及光譜獲取率最高的望遠鏡。望遠鏡坐落于河北省興隆縣，作為中國天文界的第一個國家重大科學工程項目，于2009年6月順利通過國家驗收。2022年9月30日，郭守敬望遠鏡獲取的1660萬條光譜和791萬組恒星光譜參數星表向全世界發布，兩類數據數量均居國際首位。

郭守敬望遠鏡海量數據在天體物理學研究的多個領域取得了一系列突出進展。其中在銀河系結構與演化研究方面，揭示出銀河系許多新的細節：獲取了迄今為止最為精確的大樣本恒星年齡信息，按照時間序列清晰還原了銀河系幼年和青年時期的形成演化圖像，刷新了人們對銀河系早期形成歷史的認知；通常認為，銀盤有一個清晰的邊界，直徑10萬光年，在郭守敬望遠鏡的幫助下，現在我們已經清晰地知道銀河系至少有20萬光年之大；證實銀盤并非完全扁平，而是在銀盤平面兩側向不同方向彎曲，從而首次勾勒出銀河系翹曲結構的三維空間分布特征，為人類真實地觀看銀河“炸薯片”結構提供了直接的觀測證據。

◎ 來源|北京日報