银河系边缘的恒星运行速度较慢 银河系核心的暗物质含量可能比之前估计的要少

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银河系边缘的恒星运行速度较慢 银河系核心的暗物质含量可能比之前估计的要少。图像：皇家天文学会每月通知（2024年）。DOI: 10.1093/mnras/stae034

（）据麻省理工学院（詹妮弗·朱）：通过记录银河系中恒星的速度，麻省理工学院的物理学家发现，与距离银河系中心较近的恒星相比，银河系盘面较远的恒星运行速度比预期的要慢。这些发现提出了一个令人惊讶的可能性:银河系的引力核心可能比以前认为的质量更轻，包含的暗物质更少。

新的结果是基于该团队对盖亚和远地点仪器采集的数据的分析。盖亚是一个轨道太空望远镜，可以跟踪银河系中10亿多颗恒星的精确位置、距离和运动，而远地点是一个地面测量。

这些物理学家分析了盖亚对33，000多颗恒星的测量结果，包括银河系中一些最远的恒星，并确定了每颗恒星的“圆周速度”，即恒星在银河系盘面上的旋转速度，前提是恒星与银河系中心的距离。

科学家们绘制了每颗恒星的速度与距离的关系图，以生成一条旋转曲线——这是天文学中的一个标准图表，代表了物质在距离星系中心给定距离的情况下旋转的速度。这条曲线的形状可以让科学家了解整个星系中分布着多少可见物质和暗物质。

麻省理工学院物理学助理教授Lina Necib说:“我们真正惊讶地看到，这条曲线在一定距离内保持平坦、平坦、平坦，然后开始下降。”“这意味着外层恒星的旋转速度比预期的要慢一点，这是一个非常令人惊讶的结果。”

该团队将新的旋转曲线转化为暗物质的分布，可以解释外层恒星的减速，并发现由此产生的地图产生了比预期更亮的银河系核心。也就是说，银河系中心的密度可能比科学家想象的要低，暗物质也更少。

“这使得这一结果与其他测量结果产生了矛盾，”Necib说。“在某个地方有可疑的事情发生，弄清楚那个地方真的很令人兴奋，真的有一张银河系的连贯照片。”

该团队在《皇家天文学会月报》上报告了他们的研究结果。该研究的麻省理工学院合著者，包括Necib，是第一作者肖伟欧，安娜克里斯蒂娜艾勒斯和安娜弗雷贝尔。

“在虚无中”

像宇宙中的大多数星系一样，银河系像漩涡中的水一样旋转，它的旋转在某种程度上是由所有在其圆盘内旋转的物质驱动的。20世纪70年代，天文学家薇拉·鲁宾首次观察到星系的旋转方式不能纯粹由可见物质驱动。

她和她的同事测量了恒星的圆周速度，发现由此产生的旋转曲线出人意料地平坦。也就是说，恒星的速度在整个星系中保持不变，而不是随着距离的增加而下降。他们得出结论，一定是其他类型的不可见物质对遥远的恒星产生了作用，给了它们一个额外的推力。

鲁宾在旋转曲线方面的工作是证明暗物质存在的第一批有力证据之一。暗物质是一种看不见的未知实体，估计比宇宙中所有的恒星和其他可见物质都重。

此后，天文学家在遥远的星系中观察到了类似的平坦曲线，进一步支持了暗物质的存在。直到最近，天文学家才试图绘制我们银河系中恒星的旋转曲线。

欧指出:“事实证明，当你坐在一个星系中时，很难测量旋转曲线。”

2019年，麻省理工学院物理学助理教授安娜-克里斯蒂娜·艾勒斯（Anna-Christina Eilers）利用盖亚卫星发布的一批早期数据绘制了银河系的旋转曲线。发布的数据包括距离银河系中心25千秒差距，约81，000光年的恒星。

根据这些数据，艾勒斯观察到银河系的旋转曲线似乎是平坦的，尽管与其他遥远的星系相似，只是略有下降。根据推断，银河系的核心可能含有高密度的暗物质。但这一观点现在发生了转变，因为望远镜发布了新一批数据，这次包括了距离银河系核心近10万光年的30千秒差距的恒星。

弗雷贝尔说:“在这些距离上，我们就在星系的边缘，那里的恒星开始逐渐减少。”“没有人探索过物质如何在这个外星系中运动，而我们实际上处于虚无之中。”

奇怪的紧张气氛

弗雷贝尔、内西布、欧和艾勒斯跳到了盖亚的新数据上，希望在艾勒斯的初始旋转曲线上进行扩展。为了完善他们的分析，研究小组用远地点的测量结果补充了盖亚的数据。远地点是阿帕奇点天文台的银河演化实验，该实验测量了银河系中70多万颗恒星的极其详细的属性，例如它们的亮度、温度和元素组成。

“我们将所有这些信息输入一种算法，试图学习它们之间的联系，从而可以更好地估计恒星的距离，”欧解释说。“这就是我们如何向更远的地方推进的方法。“

该团队确定了33，000多颗恒星的精确距离，并使用这些测量结果生成了散布在银河系中大约30千秒差距的恒星的三维地图。然后，他们将这张地图整合到一个圆周速度模型中，根据银河系中所有其他恒星的分布情况，模拟任何一颗恒星的运动速度。然后，他们在图表上绘制了每颗恒星的速度和距离，以产生银河系的最新旋转曲线。

“这就是奇怪的地方，”内西布说。

研究小组没有看到像以前的旋转曲线那样的温和下降，而是观察到新曲线在外端的下降幅度比预期的更大。这种意想不到的下降表明，虽然恒星在某一距离上的速度可能一样快，但在最远的距离上它们会突然减速。郊区的恒星似乎比预期的移动得更慢。

当研究小组将这一旋转曲线转换为整个银河系中必须存在的暗物质数量时，他们发现银河系核心所含的暗物质可能比之前估计的要少。

“这一结果与其他测量结果相矛盾，”Necib说。“真正理解这一结果将产生深刻的反响。这可能会导致更多的隐藏质量超出银河系盘的边缘，或者重新考虑我们银河系的平衡状态。我们试图在即将到来的工作中找到这些答案，使用类似银河系的高分辨率模拟。”