用於計算圓速度的 33 335 顆恒星的銀河中心XY平面圖，繪制在0.5 kpc箱中。
向量表示每個箱內恒星的平均速度，按每個箱中的星星數進行顏色編碼。
圖片來源：
皇家天文學會月刊
（2024 年）。
DOI： 10.1093/mnras/stae034
麻省理工學院的物理學家透過對整個銀河系中恒星的速度進行計時，發現與靠近銀河系中心的恒星相比，銀河系盤中更遠的恒星的行進速度比預期的要慢。 這些發現提出了一個令人驚訝的可能性：銀河系的重力核心可能比以前認為的更輕，並且含有更少的暗物質。
新結果基於該團隊對Gaia和APOGEE儀器所獲取數據的分析。 蓋亞是一架軌域太空望遠鏡，可跟蹤整個銀河系中超過 10 億顆恒星的精確位置、 距離 和運動，而 APOGEE 是一項地面調查。
物理學家分析了蓋亞對33,000多顆恒星的測量結果，其中包括銀河系中一些最遠的恒星，並確定了每顆恒星的「圓周速度」，即一顆恒星在銀河系盤中盤旋的速度，給定恒星與 銀河系 中心的距離。
科學家們繪制了每顆恒星的速度與其距離的關系，以生成一條旋轉曲線 - 天文學中的標準圖表，表示物質在距星系中心給定距離處的旋轉速度。 這條曲線的形狀可以讓科學家了解在整個星系中分布了多少可見物質和暗物質。
「我們真正驚訝地看到，這條曲線保持平坦，平坦，平坦到一定距離，然後它開始下降，」麻省理工學院物理學助理教授Lina Necib說。 「這意味著外星的自轉速度比預期的要慢一些，這是一個非常令人驚訝的結果。
該團隊將新的旋轉曲線轉化為暗物質的分布，可以解釋外星的減速，並行現由此產生的地圖產生了比預期更輕的星系核心。 也就是說，銀河系的中心可能比科學家想象的密度低，暗物質也少。
「這使這個結果與其他測量結果相沖突，」Necib說。 「某處正在發生一些可疑的事情，弄清楚它在哪裏，真正擁有銀河系的連貫畫面真的很令人興奮。
該團隊在 皇家天文學會的月刊 上 報告了其結果 。 該研究的麻省理工學院合著者，包括Necib，是第一作者Xiaowei Ou，Anna-Christina Eilers和Anna Frebel。
「在虛無中」
像宇宙中的大多數星系一樣，銀河系像漩渦中的水一樣旋轉，它的旋轉部份是由其盤內旋轉的所有物質驅動的。 在1970年代，天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin）是第一個觀察到星系以不能純粹由可見物質驅動的方式旋轉的人。
她和她的同事測量了恒星的圓周速度，發現由此產生的旋轉曲線出奇地平坦。 也就是說，恒星的速度在整個星系中保持不變，而不是隨著距離的增加而下降。 他們得出的結論是，某種其他型別的不可見物質一定作用於遙遠的恒星，以給它們帶來額外的推動力。
魯賓在旋轉曲線方面的工作是暗物質存在的首批有力證據之一，暗物質是一種看不見的、未知的實體，估計比宇宙中的所有恒星和其他可見物質都重要。
從那時起，天文學家在遙遠的星系中觀察到了類似的平坦曲線，進一步支持了暗物質的存在。 直到最近，天文學家才試圖用恒星繪制我們銀河系的旋轉曲線。
「事實證明，當你坐在星系內時，測量旋轉曲線是比較困難的，」Ou指出。
2019年，麻省理工學院物理學助理教授安娜-克莉絲蒂娜·艾勒斯（Anna-Christina Eilers）利用蓋亞衛星釋出的早期一批數據繪制了銀河系的自轉曲線。 該數據釋出包括距離銀河系中心25千秒差距（約81,000光年）的恒星。
基於這些數據，艾勒斯觀察到銀河系的自轉曲線似乎是平坦的，盡管略有下降，類似於其他遙遠的星系，並且透過推斷，該星系的核心可能含有高密度的暗物質。 但現在，隨著望遠鏡釋出了一批新的數據，這次包括了遠達30千秒差距的恒星，距離銀河系核心近10萬光年。
「在這些距離上，我們正處於銀河系的邊緣，恒星開始逐漸消失，」弗雷貝爾說。 「沒有人探索過物質是如何在這個外星系中移動的，我們真的處於虛無之中。
詭異的緊張感
Frebel、Necib、Ou 和 Eilers 對 Gaia 的新數據進行了研究，希望擴充套件 Eilers 的初始旋轉曲線。 為了完善他們的分析，該團隊用APOGEE（阿帕奇異點天文台銀河演化實驗）的測量結果補充了蓋亞的數據，該實驗測量了銀河系中超過700,000顆恒星的極其詳細的特性，例如它們的亮度，溫度和元素組成。
「我們將所有這些資訊輸入到演算法中，以嘗試學習連線，然後可以讓我們更好地估計恒星的距離，」Ou解釋道。 「這樣我們才能向更遠的地方推進。」
該團隊確定了超過33,000顆恒星的精確距離，並使用這些測量結果生成了散布在銀河系中的恒星的三維地圖，這些恒星散布在大約30千秒差距。 然後，他們將這張地圖整合到圓速模型中，以模擬任何一顆恒星的行進速度，考慮到銀河系中所有其他恒星的分布。 然後，他們在圖表上繪制了每顆恒星的速度和距離，以產生銀河系的最新旋轉曲線。
「這就是怪異的地方，」Necib說。
該團隊觀察到，新的曲線在外端的下降振幅比預期的要大，而不是像以前的旋轉曲線那樣出現溫和的下降。 這種出乎意料的低迷表明，雖然恒星在一定距離上可能以同樣快的速度行進，但它們在最遠的距離上突然減速。 郊區的恒星似乎比預期的要慢。
當研究小組將這條旋轉曲線轉換為整個銀河系中必須存在的暗物質數量時，他們發現銀河系的核心可能含有的 暗物質 比以前估計的要少。
「這個結果與其他測量結果相矛盾，」Necib說。 「真正理解這一結果將產生深遠的影響。 這可能會導致在銀河系盤邊緣之外出現更多隱藏的品質，或者重新考慮我們銀河系的平衡狀態。 我們尋求在即將到來的工作中找到這些答案，使用銀河系類星系的高分辨率模擬。
更多資訊： Xiaowei Ou et al， The dark matter profile of the Milky Way inferred from its circular velocity curve， 皇家天文學會月刊 （2024）. DOI： 10.1093/mnras/stae034
