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用雙脈沖星加速度來測量銀河系重力勢

2024-03-24科學

銀河系是由數百億顆恒星、氣體、塵埃和暗物質組成的旋轉盤狀結構。我們的太陽和地球就位於這個盤面的一個分支上,距離銀河系中心大約 26000 光年。"不識廬山真面目,只緣身在此山中",我們處在銀河系中,是怎樣確定它的形狀和大小的呢?我們可以透過觀測它對周圍物體的重力作用來推斷。例如,我們可以測量恒星的運動,計算它們的軌域速度,然後根據牛頓的萬有重力定律,反推出銀河系的質素分布。這就是我們通常所說的運動學方法。

但是,運動學方法有一個缺點,那就是它需要假設銀河系是一個平衡的系統,也就是說它的結構不隨時間變化,或者變化得很慢。然而,這個假設可能並不成立,因為銀河系內部和外部都存在著各種擾動因素。這些因素會導致銀河系的結構發生變化,而且變化的時間尺度可能和恒星的軌域周期相當。因此,運動學方法可能會給出不準確或不完整的結果。

那麽,有沒有一種更直接的方法,可以測量銀河系的重力勢呢?答案是有的,那就是利用雙脈沖星的加速度。雙脈沖星是一種特殊的雙星系統,其中一顆或兩顆恒星都是脈沖星,也就是高速自轉的中子星,它們會以極高的精度向外發射電磁波。我們可以透過接收這些電磁波,測量出雙脈沖星的位置、速度和加速度。雙脈沖星的加速度主要有兩個來源,一個是它們之間的相互重力,另一個是銀河系的重力。如果我們能夠把前者減去,就可以得到後者,也就是銀河系的重力對雙脈沖星的作用。這樣,我們就可以直接得到銀河系的重力勢的變化,而不需要做任何運動學的假設。

最近有一篇論文就做了這樣的工作,他們利用了 26 個雙脈沖星的數據,測量了它們由於銀河系重力勢而產生的視線加速度,也就是它們沿著我們看到的方向的加速度。這些加速度可以直接反映出銀河系的重力場,而不需要做任何運動學的假設,這是一個很大的優勢,因為運動學的方法往往需要假設銀河系是一個平衡的、對稱的、平滑的系統,而實際上它可能是非常復雜的、不平衡的、不對稱的、不平滑的。

那麽,這些雙脈沖星的加速度都告訴了我們什麽呢?首先,它們告訴了我們銀河系的總質素。這個質素是非常重要的,它決定了銀河系的大小和形狀,也決定了它的重力作用範圍。這個質素是很難測量的,因為我們只能看到銀河系的一部份,而且還有很多不可見的暗物質。但是,雙脈沖星的加速度可以給我們一個很好的估計,它們顯示出銀河系的質素大約是 2.3 × 10^11 M⊙。這是一個非常大的數碼,它相當於2300億個太陽的質素,而且它比目前普遍接受的模型給出的質素要大一倍,這意味著銀河系可能比我們想象的要更加龐大和強大。

其次,它們告訴了我們銀河系的密度分布,也就是不同位置的質素密度。這個密度分布是非常有趣的,它可以反映出銀河系的結構和演化,也可以反映出銀河系的不穩定性和不對稱性。例如,我們可以用雙脈沖星的加速度來測量銀河系中心的密度,也就是 Oort 極限,它是一個很重要的參數,它可以告訴我們銀河系中心有多少普通物質和暗物質。

雙脈沖星的加速度給出的 Oort 極限是 0.062 ± 0.017 M⊙/pc³,這個值和以前用脈沖星計時測量的值相近,但是有更小的誤差。雙脈沖星的加速度還給出了銀河系中心的暗物質密度,它是 −0.010 ± 0.018 M⊙/pc³,這個值是一個負數,這意味著銀河系中心的暗物質密度可能比太陽附近的暗物質密度要低,這是一個有趣的結果,它可能說明銀河系的暗物質分布是不均勻的,或者銀河系的重力勢有一些我們沒有考慮到的復雜性。

再次,它們告訴了我們銀河系的旋轉曲線,也就是不同位置的速度。這個旋轉曲線是非常重要的,它可以反映出銀河系的動力學和運動學,也可以反映出銀河系的穩定性和對稱性。最後,它們告訴了我們銀河系的加速度場,也就是不同位置的加速度向量。這個加速度場是非常有趣的,它可以反映出銀河系的不平衡和不對平衡和不對稱性。

例如,我們可以用雙脈沖星的加速度來測量銀河系的非圓運動,也就是不同位置的徑向和垂直加速度。這些加速度可以反映出銀河系的非圓速度,也就是不同位置的徑向和垂直速度,它們可以告訴我們銀河系的非圓運動的原因和效果。雙脈沖星的加速度給出的非圓運動值都是接近於零的,這意味著銀河系的非圓運動是很小的,這是一個符合觀測的結果,它說明銀河系是一個近似於平衡的系統,它的非圓運動的影響是可以忽略的。

總之,雙脈沖星的加速度是一種非常強大的工具,它可以幫助我們探測銀河系的結構和動力學,它可以給出銀河系的質素、密度、旋轉和加速度的資訊,而不需要做任何不現實的假設,它可以揭示銀河系的復雜性和多樣性,它可以挑戰我們對銀河系的認識和理解。這篇論文就是一個很好的例子,它用雙脈沖星的加速度給出了一些有趣的結果,它們可能改變我們對銀河系的看法,也可能激發我們進一步的研究。