我們所居住的銀河系有著許多謎團(tuán)。此前觀測表明，銀河系由暗物質(zhì)主導(dǎo)，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(yù)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(guān)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(xué)院上海天文臺研究員郭福來領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，提出了一種測量銀河系總質(zhì)量的新方法。科研人員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(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《天體物理學(xué)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(tuán)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(tuán)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(xué)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?zé)釟怏w，可能延伸到數(shù)十萬光年之遠(yuǎn)。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(tuán)隊詳細(xì)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(guān)鍵物理量。利用X射線太空望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)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(xué)中所謂的“大而不能失敗”問題仍然嚴(yán)峻，可能挑戰(zhàn)現(xiàn)代宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的冷暗物質(zhì)理論。
“大而不能失敗”問題，指在宇宙學(xué)模型中，銀河系中應(yīng)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(yīng)該沒有什么機制會導(dǎo)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(yù)期與觀測實際相矛盾，產(chǎn)生了宇宙學(xué)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(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)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(xiàn)，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(xué)方法相結(jié)合，它可以對銀河系質(zhì)量做出更精確的測量。”郭福來總結(jié)道。
(據(jù)中國科學(xué)院上海天文臺官網(wǎng))
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