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天文學家測量銀河系的「曲速」

2024-07-13科學
藝術家對銀河系扭曲圓盤的印象,周圍環繞著略微扁平的暗物質暈。 (圖片來源:Kaiyuan Hou and Zhanxun Dong (上海交通大學設計學院))

中國天文學家發現, 銀河 系螺旋盤中的翹曲在巨大的暗物質的影響下向後推進,這些暗物質在我們的銀河系周圍形成了一個看不見的光環。

大約三分之一的螺旋星系的圓盤狀結構具有明顯的翹曲,就像彎曲的黑膠唱片一樣。這通常是多種因素的結果;過去與另一個星系的碰撞被認為是導致銀河系翹曲的罪魁禍首,但與衛星星系和星系際 磁場 的進一步交互作用,以及大量瓦斯雲的落入,也可以發揮作用。然而,至少在 銀河系 的情況下,維持翹曲的主要參與者是圍繞圓盤並對其施加扭矩的 暗物質 暈。

這個翹曲不是固定的。它與銀河系其余部份的對齊移動 - 具體來說,它「先行」。進動描述了翹曲的排列如何相對於星系的旋轉軸變化,這意味著翹曲的峰值或節點先於星系。這是導致陀螺搖晃的相同現象的變體。

然而,測量經線的進動率在過去被證明是具有挑戰性的。先前的估計試圖使用明亮但古老的巨型恒星的垂直運動作為示蹤劑來計算進動率。然而,這種示蹤劑是出了名的不精確,基於它們的結果表明——與理論相反——圓盤正在順行(與星系其余部份的旋轉方向相同)而不是逆行(相對於星系向後),正如預期的那樣。

現在,由中國科學院的楊黃領導的天文學家已經使用了另一種更精確的示蹤劑,即造父變星,對曲速的進動進行了迄今為止最準確的測量,發現它畢竟是在逆行。

造父變星 是脈動的大品質恒星。它們的脈動周期與它們固有的亮度有關,根據它們的亮度,我們可以準確地計算出它們必須有多遠。這使它們成為繪制經線的絕佳示蹤劑。

黃仁勛的團隊透過他們所謂的「電影」方法取得了成果。利用 歐洲航天局 蓋亞 天體測量航天器的數據,該航天器正在測量超過十億顆恒星的位置,運動和特性,包括年齡,黃的團隊確定了2,613個不同年齡的造父變星樣本。

「年齡是測量圓盤翹曲進動率的關鍵,」作者在他們的研究論文中說。「我們透過繪制不同年齡的造父變星樣本的三維分布,獲得了圓盤翹曲的電影。

每個造父變星都保留了它出生時在經線中的位置資訊,因此透過將造父變星分組到不同的年齡範圍並繪制它們,黃的團隊能夠顯示過去2億年不同時間點的經線的形狀和位置。然後,像電影一樣將各個地圖放在一起執行,他們能夠看到扭曲的發生。他們發現它畢竟是以逆行的方式前進的,每千秒差距(3,261光 的空間 速度為每秒2公裏(1.24英裏)。或者,用更直觀的單位來說,它以每百萬年0.12度的速度繞著銀河系向後移動。

更重要的是,電影還顯示,進動率隨著與銀河系中心的距離而降低,從長遠來看,這將導致圓盤的更大翹曲。模型表明,這種減少是施加扭矩的暗物質暈在形狀上扁平或扁平的結果。

暗物質暈的形狀很重要,因為它可以作為一個數據點,理論家可以將其插入模型中,試圖預測暗物質是由什麽組成的(如WIMP或軸子)。它還提供了有關銀河系 形成歷史 的線索,以及它如何透過與其他較小的星系和瓦斯雲的合並,碰撞和交互作用而組裝起來,這些都有助於塑造看不見的暗物質暈。