乘着星流,“暗刹”银河系

银河系是一个由中心的棒状结构和外围多条旋臂组成的棒旋星系,像宇宙中几乎所有其他的天体一样也有自转,不过是一种绕转周期内部短、外围长的所谓较差自转。太阳离银河系中心较远(约2.7万光年),转一圈约需2.5亿年。尽管太阳的绕转速度高达230千米/秒,诞生至今也只转了不足20圈,上一次出现在同一个位置时,正值地球上恐龙的横空出世。

 

那么银河系会这样一直不停地转下去吗?将近三十年前,科学家们就通过理论计算大胆猜测:暗物质的存在会使银河系棒的自转变慢,像是被“踩刹车”,并被随后的数值模拟所证实。但是观测上的小心求证一直困难重重。

 

银河系的旋臂和棒状结构(⊙为太阳) │ 图源: Xing-Wu Zheng & Mark Reid BeSSeL/NJU/CFA

 

办法总比困难多

困难的主要原因是:这一自转变慢效应非常微弱,恒星速度的测量精度较低,测量的误差远大于理论预期。想在人类的有生之年直接测量一个周期为上亿年的自转的变化听上去像是天方夜谭。
不过,天文学家总能找到解决问题的办法。既然不能直接测量恒星绕转速度的变化,他们开始转而寻求一些间接办法“曲线救国”。

 

乘着星流穿越

银河系中的恒星除了大量存在于棒和旋臂中,还可能存在于更多的结构中,比如星流(stellar streams)——沿着一条狭长轨道围绕星系运动的恒星群。星流的起源一般很难确定,但通常认为它们是附近的球状星团或者矮星系受到银河系的引力潮汐作用瓦解、撕裂而成,因此携带着银河系形成历史的印记,可用作“银河系考古”。

 

星流的艺术想象图 │ 图源 : NASA/JPL-Caltech/R. Hurt, SSC & Caltech

 

星流并不像流星那样肉眼可见地从空中划过,它们大多是通过大规模的巡天,在速度空间发现的。迄今发现的银河系星流有几十个,赫拉克勒斯星流(Hercules Streams)是其中运动学研究最为详细的之一,其成员星数目占太阳附近空间恒星的约20%。它们绕银河系旋转,不过比太阳的绕转慢约40千米/秒,同时还在逐渐远离银河系中心向外运动。

 

银河系中心的棒状结构与赫拉克勒斯星流的运动产生共振效应,导致二者以相同的速度围绕银河系中心运动。这种引力效应引起的共振在天文学上较为普遍,比如与木星共轨的特洛伊小行星群,以和木星相同的运动速度绕着太阳旋转。

 

如果棒因为某种原因自转减慢,共振效应会使赫拉克勒斯星流向银河系的外围移动,并不断“收编”部分那里的恒星。银河系中恒星的金属丰度总体上存在由内而外递减的趋势,所以在赫拉克勒斯星流外移过程中,会逐步吸引金属丰度越来越低的恒星“入伙”,形成由高到低的恒星金属丰度分布序列。通过测量星流中恒星的金属丰度,就能反推银河系棒的自转减慢状况。

 

盖亚的功劳

对恒星的高精度测量是这项研究成败的关键。这得归功于欧洲航天局(ESA)的盖亚卫星(Gaia),它第一次实现了真正意义上的大批量恒星亮度、距离和自行的高精度测量,其目标是以前所未有的高精度绘制一张包含约20亿颗恒星的精确三维星图。

 

通过对盖亚卫星高精度恒星数据的分析和计算,英国科学家第一次找到了银河系自转减慢的确切观测证据,发现银河系形成至今棒的自转减慢了约四分之一。所观测到的效应目前只能通过暗物质的存在才能解释。那么暗物质具体又是怎样实施“刹车”的呢?

 

暗物质+踩刹车=“暗刹”

标准宇宙学模型告诉我们,宇宙由约占68%的暗能量、约27%的暗物质和不到5%的可观测普通物质组成。换言之,宇宙中约84%的物质是暗物质。

 

弥漫于整个宇宙的暗物质会造成可观测的引力效应,甚至支配星系的运转。暗物质晕包裹着银河系,密度由银心而外逐渐变小。在太阳系附近,暗物质的密度约为每立方厘米0.4个质子质量。银河系的棒状结构和旋臂,就是“泡”在这么一团暗物质“海洋”中旋转的。

 

银河系暗物质晕的想象图 │ 图源: ESO/L. Calçada

 

真正让暗物质起到“刹车”作用的机制是所谓动力学摩擦力:当恒星围绕银河系中心旋转时,暗物质会在引力作用下“拖拽”着这些恒星,导致棒的自转变慢。恒星质量越大,暗物质密度越高,动力学摩擦的影响也越大。这很像流体力学中的拖拽力(即重物体在流体中移动遭受到平行移动方向的阻力),如水中行船时船尾形成的尾流,拖拽船只运动减缓。

 

这一研究为暗物质测量提供了一种新方法,不再是测量其引力能(如星系旋转曲线方法),而是测量其惯性质量(动力学响应);也为暗物质的研究提供了一个独特的视角,更多类似星流的高精度测量将有助于厘清银河系中暗物质的总量和分布等信息。

 

参考文献:
Chiba R., Schönrich R., Tree-ring structure of Galactic bar resonance, 2021, MNRAS,  505, 2412,  doi:10.1093/mnras/stab1094
作者:阿古
链接:https://www.ark.ooo/744/
来源:方舟(ark.ooo)
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