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天文学家测量银河系的「曲速」

2024-07-13科学
艺术家对银河系扭曲圆盘的印象,周围环绕着略微扁平的暗物质晕。 (图片来源:Kaiyuan Hou and Zhanxun Dong (上海交通大学设计学院))

中国天文学家发现, 银河 系螺旋盘中的翘曲在巨大的暗物质的影响下向后推进,这些暗物质在我们的银河系周围形成了一个看不见的光环。

大约三分之一的螺旋星系的圆盘状结构具有明显的翘曲,就像弯曲的黑胶唱片一样。这通常是多种因素的结果;过去与另一个星系的碰撞被认为是导致银河系翘曲的罪魁祸首,但与卫星星系和星系际 磁场 的进一步相互作用,以及大量气体云的落入,也可以发挥作用。然而,至少在 银河系 的情况下,维持翘曲的主要参与者是围绕圆盘并对其施加扭矩的 暗物质 晕。

这个翘曲不是固定的。它与银河系其余部分的对齐移动 - 具体来说,它「先行」。进动描述了翘曲的排列如何相对于星系的旋转轴变化,这意味着翘曲的峰值或节点先于星系。这是导致陀螺摇晃的相同现象的变体。

然而,测量经线的进动率在过去被证明是具有挑战性的。先前的估计试图使用明亮但古老的巨型恒星的垂直运动作为示踪剂来计算进动率。然而,这种示踪剂是出了名的不精确,基于它们的结果表明——与理论相反——圆盘正在顺行(与星系其余部分的旋转方向相同)而不是逆行(相对于星系向后),正如预期的那样。

现在,由中国科学院的杨黄领导的天文学家已经使用了另一种更精确的示踪剂,即造父变星,对曲速的进动进行了迄今为止最准确的测量,发现它毕竟是在逆行。

造父变星 是脉动的大质量恒星。它们的脉动周期与它们固有的亮度有关,根据它们的亮度,我们可以准确地计算出它们必须有多远。这使它们成为绘制经线的绝佳示踪剂。

黄仁勋的团队通过他们所谓的「电影」方法取得了成果。利用 欧洲航天局 盖亚 天体测量航天器的数据,该航天器正在测量超过十亿颗恒星的位置,运动和特性,包括年龄,黄的团队确定了2,613个不同年龄的造父变星样本。

「年龄是测量圆盘翘曲进动率的关键,」作者在他们的研究论文中说。「我们通过绘制不同年龄的造父变星样本的三维分布,获得了圆盘翘曲的电影。

每个造父变星都保留了它出生时在经线中的位置信息,因此通过将造父变星分组到不同的年龄范围并绘制它们,黄的团队能够显示过去2亿年不同时间点的经线的形状和位置。然后,像电影一样将各个地图放在一起运行,他们能够看到扭曲的发生。他们发现它毕竟是以逆行的方式前进的,每千秒差距(3,261光 的空间 速度为每秒2公里(1.24英里)。或者,用更直观的单位来说,它以每百万年0.12度的速度绕着银河系向后移动。

更重要的是,电影还显示,进动率随着与银河系中心的距离而降低,从长远来看,这将导致圆盘的更大翘曲。模型表明,这种减少是施加扭矩的暗物质晕在形状上扁平或扁平的结果。

暗物质晕的形状很重要,因为它可以作为一个数据点,理论家可以将其插入模型中,试图预测暗物质是由什么组成的(如WIMP或轴子)。它还提供了有关银河系 形成历史 的线索,以及它如何通过与其他较小的星系和气体云的合并,碰撞和相互作用而组装起来,这些都有助于塑造看不见的暗物质晕。