我們所居住的銀河系有著許多謎團。此前觀測表明,銀河系由暗物質(zhì)主導,而普通物質(zhì)(即重子)大約僅占銀河系總質(zhì)量的6%。這個比例大大低于大爆炸核合成理論所預言的宇宙重子比例(16%),而解決這個銀河系失蹤重子之謎的關鍵之一,是精確測量銀河系的總質(zhì)量。
12月17日,據(jù)媒體報道,由中國科學院上海天文臺研究員郭福來領導的研究團隊,提出了一種測量銀河系總質(zhì)量的新方法??蒲腥藛T首次利用銀河系周圍星系周介質(zhì)(指星系盤之外、星系暈中位力半徑以內(nèi)的介質(zhì))中的熱氣體溫度測量了銀河系總質(zhì)量。相關研究結(jié)果發(fā)表在《天體物理學雜志快報》上。
以往人類對銀河系質(zhì)量的測量,主要基于觀測到的銀河系盤或暈中恒星、星團與衛(wèi)星星系的旋轉(zhuǎn)或隨機速度。銀河系質(zhì)量越大,這些無碰撞天體在平衡狀態(tài)下運動得越快。到目前為止,測得的銀河系質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的一萬億倍。但是,不同的觀測方法給出的銀河系總質(zhì)量誤差仍然非常大,可以小到五千億倍太陽質(zhì)量以下,也可以大到兩萬億倍太陽質(zhì)量以上。
郭福來團隊提出了一種全新的測量方法,他們把銀河系暈中的熱氣體作為測量銀河系質(zhì)量的探針。自1950年以來,天文學家發(fā)現(xiàn)了許多不同的觀測證據(jù),表明銀河系周圍存在著大量彌散的百萬度高溫熱氣體,可能延伸到數(shù)十萬光年之遠。這個熱氣體暈的總質(zhì)量尚不確定,但可能占銀河系失蹤重子的很大一部分。
近幾年,該團隊詳細研究了銀河系熱氣體暈的空間溫度、密度分布與觀測特征,以及與銀河系中各種能量爆發(fā)過程的相互作用。
根據(jù)該研究,銀河系熱氣體暈趨于穩(wěn)定狀態(tài)后的溫度分布受銀河系總質(zhì)量的影響最敏感,而熱氣體暈總質(zhì)量及其所含重元素豐度對其幾乎沒有影響。銀河系質(zhì)量越高,熱氣體暈的溫度就越高。
銀河系中的恒星幾乎不相互碰撞,而熱氣體暈中的等離子體粒子之間會相互碰撞。在這一新方法中,熱氣體溫度取代了無碰撞天體的速度,成為測量銀河系質(zhì)量的關鍵物理量。利用X射線太空望遠鏡觀測到的銀河系熱氣體暈溫度,該方法測量到的銀河系總質(zhì)量為太陽質(zhì)量的1.2—3萬億倍。
新方法測量的銀河系質(zhì)量在太陽質(zhì)量的一萬億倍以上,這個值具有深遠的重要意義。
首先,它暗示著銀河系的大型衛(wèi)星星系,例如大小麥哲倫星云和獅子座一號矮球狀星系,都被銀河系束縛著。因為如果銀河系質(zhì)量比一萬億倍太陽質(zhì)量低,它們將不受銀河系的引力束縛。
其次,這意味著即使把熱氣體暈考慮進來,銀河系仍缺失很大比例的重子。這些缺失的重子可能存在于銀河系暈之外,或者正處于尚未被探測到的冷氣體狀態(tài)。如果銀河系質(zhì)量比一萬億倍太陽質(zhì)量低,那么銀河系將沒有失蹤重子問題。
最后,它暗示著宇宙學中所謂的“大而不能失敗”問題仍然嚴峻,可能挑戰(zhàn)現(xiàn)代宇宙學標準模型中的冷暗物質(zhì)理論。
“大而不能失敗”問題,指在宇宙學模型中,銀河系中應該存在一些比目前觀測到的衛(wèi)星星系質(zhì)量更大、且內(nèi)區(qū)物質(zhì)密度更高的衛(wèi)星星系。理論上,應該沒有什么機制會導致我們看不到這些質(zhì)量比較大的衛(wèi)星星系,但目前人類還未觀測到過大質(zhì)量的衛(wèi)星星系,理論預期與觀測實際相矛盾,產(chǎn)生了宇宙學中的“大而不能失敗”問題。如果銀河系質(zhì)量低于太陽質(zhì)量的1萬億倍,標準模型的預言將與觀測相符,“大而不能失敗”問題也就消失。
“此次研究最重要的貢獻,也許是它提供了一種完全獨立的方法來測量銀河系總質(zhì)量。與傳統(tǒng)的運動學方法相結(jié)合,它可以對銀河系質(zhì)量做出更精確的測量?!惫砜偨Y(jié)道。
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