天文学家测量银河系的“翘曲速度”

December2017

一位艺术家对银河系扭曲圆盘的印象，它被一个稍微扁平的暗物质光环包围。（图片来源：侯开元、董占勋（上海交通大学设计学院）

据美国太空网（Keith Cooper）：中国天文学家发现，在巨大质量的暗物质的影响下，银河系螺旋盘中的翘曲正在向后进动，暗物质在我们的星系周围形成了一个看不见的光环。

大约三分之一的螺旋星系的盘状结构有明显的弯曲，就像一张弯曲的乙烯基唱片。这通常是多种因素共同作用的结果；过去与另一个星系的碰撞被认为是导致银河系扭曲的罪魁祸首，但与卫星星系和星系间磁场的进一步相互作用，以及巨大气体云的涌入，也可能起到一定作用。然而，至少在银河系的情况下，维持扭曲的主要参与者是围绕圆盘并对其施加扭矩的暗物质晕。

这个翘曲没有固定。它与星系其他部分的排列是移动的，特别是“进动”。进动描述了扭曲的排列如何相对于星系的旋转轴发生变化，这意味着扭曲的峰值或节点在星系周围进动。这是导致陀螺摆动的同一现象的变体。

然而，测量经线的进动率在过去被证明是具有挑战性的。先前的估计试图使用明亮但古老的巨星的垂直运动作为示踪剂来计算岁差率。然而，这种示踪剂是出了名的不精确，基于它们的结果表明——与理论相反——圆盘正在前进（与星系其他部分的旋转方向相同），而不是像预期的那样倒退（相对于星系向后）。

现在，以中国科学院的杨煌为首的天文学家使用了另一种更准确的造父变星形式的示踪剂，对翘曲的进动进行了迄今为止最准确的测量，发现它毕竟是在逆行。

造父变星是脉动的大质量恒星。它们的脉动周期与它们内在的亮度有关，根据它们的光度，我们可以准确地计算出它们必须相距多远。这使它们成为绘制扭曲图的绝佳示踪剂。

黄的团队通过他们所说的“动态图像”方法取得了他们的成果。黄的团队利用欧洲航天局的盖亚天体测量飞船的数据，确定了2613个不同年龄的造父变星样本。盖亚飞船正在测量超过10亿颗恒星的位置、运动和性质，包括年龄。

作者在他们的研究论文中说：“年龄是测量圆盘翘曲进动率的关键。”。“我们通过绘制不同年龄造父变星样本的三维分布图，获得了圆盘翘曲的运动图像。”

每一个造父变星都保留着它出生时在经线中的位置信息，因此通过将造父变变星分组到不同的年龄范围并绘制地图，黄的团队能够显示过去2亿年中不同时间点的经线形状和位置。然后，通过将各个贴图像运动图像一样一起运行，他们能够看到扭曲的进动。他们发现，它毕竟是以逆行的方式进动的，每千帕秒（3261光年）的空间以每秒2公里（1.24英里）的速度进动。或者，以更直观的单位，它以每百万年0.12度的速度绕星系向后旋进。

此外，运动图像还显示，进动率随着距离银河系中心的距离而降低，从长远来看，这将导致星盘更大的翘曲。模型表明，这种减少是暗物质晕的结果，暗物质晕施加的扭矩是扁的或扁平的。

暗物质晕的形状很重要，因为它充当了一个数据点，理论家可以将其插入到试图预测暗物质是由什么组成的模型中（如WIMP或轴子）。它还提供了关于银河系形成历史的线索，以及它是如何通过与其他较小星系和气体云的合并、碰撞和相互作用组装而成的，这些都有助于形成看不见的暗物质晕。

6月27日发表在《自然天文学》上的一篇论文描述了翘曲进动率的发现。