揭開(kāi)銀河系的隱匿版圖 | 賽先生天文
責(zé)編 | 王馨心、呂浩然
銀河的暗面
璀璨星河，自古以來(lái)就是人們?cè)亣@的對(duì)象。當(dāng)代天文學(xué)告訴我們，銀河是我們所處的星系在天空中的投影。銀河系是一個(gè)典型的盤星系，由上千億顆恒星組成，其銀盤的半徑可達(dá)3萬(wàn)秒差距（注：1秒差距約為3光年）。你是否曾想過(guò)，銀盤的外圍是否空寂無(wú)物？銀河系的盡頭又是什么？
就恒星的分布來(lái)說(shuō)，真實(shí)情況基本如此：銀河系的恒星絕大部分分布于銀盤和銀心附近，僅有少量的恒星、星團(tuán)以及若干體型較小的矮星系散落在盤外被稱為銀暈的區(qū)域。離我們最近的一個(gè)同銀河系類似的星系是仙女座星系，距離銀河系約80萬(wàn)秒差距，這個(gè)距離是銀盤半徑的20-30倍。因此從恒星分布的角度看，銀盤以外的確是一片寂寥。
同宇宙中的絕大部分星系一樣，實(shí)際上我們可見(jiàn)的恒星和氣體等物質(zhì)只是銀河系總質(zhì)量的一小部分，剩余的絕大部分質(zhì)量是什么呢？就是“看不見(jiàn)也摸不著”的暗物質(zhì)。當(dāng)代天文學(xué)和宇宙學(xué)的多重觀測(cè)告訴我們，暗物質(zhì)普遍存在于宇宙中，約占宇宙物質(zhì)總量的85%， 而普通物質(zhì)只貢獻(xiàn)了剩下的約15%。在銀河系周圍同樣聚集著比恒星多得多的暗物質(zhì)，構(gòu)成了籠罩銀河系的暗物質(zhì)暈。圖1展示了一個(gè)由超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬得到的類銀河系系統(tǒng)中的暗物質(zhì)和恒星分布。
這個(gè)暗物質(zhì)暈有多大，它的總質(zhì)量是多少？這是關(guān)于銀河系的一個(gè)基本問(wèn)題，也是我們利用銀河系研究更廣闊的宇宙所必須回答的一個(gè)問(wèn)題。
銀河系質(zhì)量的迷霧
暗暈內(nèi)部存在一個(gè)較為致密的且接近平衡態(tài)的區(qū)域，其中物質(zhì)的位置和速度分布基本不隨時(shí)間變化——這一區(qū)域也被稱為位力化區(qū)域。位力化區(qū)域的質(zhì)量和大小提供了暗暈總質(zhì)量及大小的一個(gè)常用描述。
因?yàn)榘滴镔|(zhì)不發(fā)光，無(wú)法利用望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)，我們只能借助其它發(fā)光天體在暗物質(zhì)引力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)推斷暗物質(zhì)的分布。在銀盤上，恒星和氣體繞銀河系的中心做近似的圓周運(yùn)動(dòng)，使我們能夠較為容易地推斷出它們圓運(yùn)動(dòng)軌道內(nèi)的總質(zhì)量，從而得到銀盤范圍內(nèi)的物質(zhì)分布。而為了測(cè)量籠罩銀河系外圍的暗物質(zhì)分布，人們需要借助銀盤以外的遙遠(yuǎn)天體，它們的運(yùn)動(dòng)不再是規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)，且環(huán)繞銀河系運(yùn)動(dòng)一圈的時(shí)間極其漫長(zhǎng)。因此，這種測(cè)量通常只能基于諸多銀暈天體的位置和速度在當(dāng)前時(shí)期的“瞬時(shí)”觀測(cè)值，或者說(shuō)基于它們?cè)谙嗫臻g（即六維位置-速度空間）的一張瞬時(shí)合照。
這種測(cè)量不是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。在過(guò)去的20多年間，文獻(xiàn)中存在不下50組對(duì)銀河系總質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果，但這些結(jié)果相互之間卻都具有不小的差別，是一個(gè)覆蓋了0.5-2萬(wàn)億太陽(yáng)質(zhì)量的寬泛的范圍[2]。那么，究竟哪一個(gè)結(jié)果更接近實(shí)際呢？抑或銀河系另有玄機(jī)，導(dǎo)致不同的測(cè)量間難以統(tǒng)一？
天行有道
造成這些差異的一個(gè)重要原因是不同的測(cè)量方法往往基于各自的模型假設(shè)——而不合理的假設(shè)很容易給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)相應(yīng)的誤差。顯然，我們需要盡可能避免不正確或者不必要的假設(shè)。在一大類動(dòng)力學(xué)分析中，由于我們只能從當(dāng)前的一張?zhí)祗w瞬時(shí)合照出發(fā)，一個(gè)不可避免的而又基本合理的假設(shè)是當(dāng)前的合照是穩(wěn)定而具有代表性的——即換個(gè)時(shí)間來(lái)拍照也會(huì)得到非常相似的照片。這種穩(wěn)定的系統(tǒng)狀態(tài)稱為“穩(wěn)恒態(tài)”。那么，僅僅依賴穩(wěn)恒態(tài)假設(shè)，是否可能測(cè)出銀河系暗暈的總質(zhì)量呢？
答案是肯定的，這就是筆者團(tuán)隊(duì)發(fā)展的一套最小假設(shè)動(dòng)力學(xué)方法所做的事情。穩(wěn)恒態(tài)是個(gè)很有意思且常見(jiàn)的狀態(tài)。比如公路上一段穩(wěn)定的車流，在某個(gè)路段車子都緩慢通過(guò)，而另一些路段每輛車都疾馳而過(guò)。如果我們同時(shí)記錄車子的疏密，會(huì)發(fā)現(xiàn)車速低、通行慢的地方車子密集，車速高的地方車子稀疏，或者說(shuō)車子的密度始終正比于各個(gè)路段的通行時(shí)間。數(shù)學(xué)上我們不難證明這一規(guī)律，并且它也同樣適用于銀河系中天體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒態(tài)分布。
但比公路上的車流復(fù)雜的是，在銀河系的暗暈中，不同的天體可以有不同的運(yùn)行軌道，對(duì)應(yīng)著不同的車道，并且在各自的車道上按穩(wěn)恒態(tài)行駛。而哪些天體在同一條車道上呢？這便是我們測(cè)量銀河系質(zhì)量的關(guān)鍵——只有真實(shí)的引力場(chǎng)才能讓我們計(jì)算出天體的真實(shí)軌道, 從而將它們劃分到正確的車道；而錯(cuò)誤的引力場(chǎng)將導(dǎo)致天體被劃分到錯(cuò)誤的軌道，從而破壞這些軌道上“車流”的穩(wěn)恒性。
銀河系的“測(cè)不準(zhǔn)原理”
這意味著，我們模型的唯一假設(shè)，即穩(wěn)恒態(tài)假設(shè)仍存在問(wèn)題。實(shí)際上，銀河系的暗物質(zhì)暈在形成過(guò)程中吞并了大量更小的暗暈及被稱為衛(wèi)星星系的矮星系，從而并非嚴(yán)格處于穩(wěn)恒態(tài)。暗暈吞并的過(guò)程伴隨著銀河系對(duì)這些系統(tǒng)的潮汐剝離甚至瓦解——被剝離出來(lái)的恒星構(gòu)成了銀暈中的暈星，而正處在剝離過(guò)程中的恒星則會(huì)呈現(xiàn)出細(xì)長(zhǎng)的所謂星流結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）。暈星的這種起源機(jī)制使得它們?cè)诟髯攒壍郎系姆植汲尸F(xiàn)出一定的相關(guān)性。用上文的車道來(lái)類比，相當(dāng)于車道上出現(xiàn)了結(jié)伴而行的車隊(duì)。盡管整個(gè)車道還是近似處于穩(wěn)恒態(tài)，但車隊(duì)卻是一個(gè)移動(dòng)著的高密區(qū)域，導(dǎo)致車流的密度隨著時(shí)間變化（見(jiàn)圖4）。
暈星的這種隨時(shí)間變化的空間分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律使得我們無(wú)法通過(guò)它們的一個(gè)瞬時(shí)合照來(lái)推知暗物質(zhì)的分布。倘若非要假設(shè)它們處于穩(wěn)恒態(tài)的話，我們發(fā)現(xiàn)這會(huì)對(duì)位力化區(qū)域的總質(zhì)量測(cè)量引入一個(gè)大約上下各2倍的系統(tǒng)誤差，或者說(shuō)總共約4倍的質(zhì)量不確定范圍。這一極限精度，可以形象地被稱為暗暈動(dòng)力學(xué)質(zhì)量測(cè)定的“測(cè)不準(zhǔn)原理”[5]。有趣的是，這4倍的范圍同上文提及的歷史結(jié)果的覆蓋范圍剛好一致（0.5-2萬(wàn)億倍太陽(yáng)質(zhì)量）。
銀河系的精確質(zhì)量
銀河系質(zhì)量測(cè)量的4倍極限精度似乎是個(gè)讓人沮喪的事情。但這是否意味著，我們無(wú)望精確測(cè)定銀河系的質(zhì)量？
幸運(yùn)的是，銀河系的暗暈中有多類天體，除了恒星，還有球狀星團(tuán)以及上文提到的衛(wèi)星星系。我們針對(duì)這些衛(wèi)星星系也進(jìn)行了同樣的分析，結(jié)果顯示，相比暈星，它們的分布更接近穩(wěn)恒態(tài)，更適宜用來(lái)測(cè)量暗物質(zhì)的分布。利用約100顆衛(wèi)星星系，便可以將銀河系質(zhì)量測(cè)定的不確定范圍控制在約1.25倍（或者25%的誤差）以下。這是因?yàn)樾l(wèi)星星系在暗暈中的運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立，在建模中更少受到“車隊(duì)現(xiàn)象”的干擾[6]。
實(shí)際上，這25%的誤差還有進(jìn)一步改善的空間。在上述oPDF模型中，我們對(duì)數(shù)據(jù)的解讀是盡可能保守的，并沒(méi)有完全利用數(shù)據(jù)中的所有信息——我們只要求每條車道上的車輛分布是不隨時(shí)間變化的，而不去計(jì)較各種類型的車道分別有多少條。實(shí)際上，不同大小的暗暈中所具有的車道類型的分布也是有差別的，這種差別可以通過(guò)高分辨率的宇宙學(xué)數(shù)值模擬來(lái)獲得[7]。這部分信息也可以用來(lái)限制暗暈的質(zhì)量，從而將暗暈質(zhì)量的測(cè)量誤差進(jìn)一步削減約10%[8]。在這一框架下，我們最終測(cè)量的銀河系位力質(zhì)量為1.23萬(wàn)億倍的太陽(yáng)質(zhì)量[9]。
黑暗的盡頭
盡管我們已經(jīng)能夠較為精確地測(cè)量銀河系的位力質(zhì)量，但這尚未揭開(kāi)銀河系暗面的完整版圖。由圖1我們可知，暗物質(zhì)的分布實(shí)際上是延綿不絕的，而位力化區(qū)域只描述了一塊相對(duì)平衡且致密的區(qū)域。暗暈內(nèi)巨大的物質(zhì)聚集所產(chǎn)生的引力也吸引著位力區(qū)域以外的物質(zhì)，使它們持續(xù)向銀河系內(nèi)掉落，并驅(qū)動(dòng)銀河系暗暈的進(jìn)一步成長(zhǎng)。不過(guò)這種吸引的影響范圍也是有限的，因?yàn)樵诟鼮檫b遠(yuǎn)的宇宙，物質(zhì)仍隨宇宙的膨脹而遠(yuǎn)離銀河而去。膨脹遠(yuǎn)去的物質(zhì)同落向銀河系的物質(zhì)的分界點(diǎn)，稱為銀河系的回轉(zhuǎn)邊界，可以說(shuō)是銀河的終極盡頭。
回轉(zhuǎn)邊界以內(nèi)，在引力的驅(qū)動(dòng)下，物質(zhì)先是以越來(lái)越快的速度向銀河系涌來(lái)，隨后又在接近暗暈平衡區(qū)域的過(guò)程中逐漸減速，最終“沉降”在銀河系周圍，成為平衡態(tài)暗暈的一部分。這一暗暈的成長(zhǎng)過(guò)程導(dǎo)致了暗暈近鄰區(qū)域的物質(zhì)持續(xù)堆積，而更外圍的物質(zhì)卻逐漸耗竭。對(duì)于這一增長(zhǎng)和耗竭的分界點(diǎn)，我們將其命名為暗暈的耗竭邊界[10]。
耗竭邊界的概念由筆者團(tuán)隊(duì)在2021年發(fā)表的工作中首次提出，通常比暗暈的位力邊界大一倍以上，而回轉(zhuǎn)邊界則在更遠(yuǎn)的范圍。它們作為暗暈的兩個(gè)最外圍邊界，都可以通過(guò)物質(zhì)的徑向運(yùn)動(dòng)分布識(shí)別出來(lái)。在同年的工作中，利用衛(wèi)星星系，我們也幸運(yùn)地首次測(cè)得了銀河系這兩個(gè)最外圍邊界的大?。ㄒ?jiàn)圖5）[11]。至此，銀河系的疆域圖已初步完成（圖6）。
作者簡(jiǎn)介
