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银河系为何在"踩刹车"

神秘的宇宙 | 感谢投递 2021-07-16 457

从地面上拍摄的银河图像。

在宇宙中,旋转是天体运动最常见的形式。如我们生存的地球,在自转的同时,还绕着太阳公转。而太阳作为银河系恒星大家庭中的一员,也在“率领”着整个太阳系参与到银河系环绕中心的旋转中。

通过长期的观测分析和理论计算,人们已对银河系的结构和旋转情况有了一定认识。而近期由英国牛津大学、伦敦大学等科研机构的一项最新研究成果表明,从140亿年前银河系中的旋棒结构形成至今,其旋转速度下降了约1/4。研究人员推测,让银河系“踩刹车”的,很有可能是我们至今仍未完全探究清楚的暗物质。

长久以来,人们通过对银河系内恒星的观察,认识到银河系是一个有涡旋结构的星系:从银河系中心,延伸出了4条螺旋线形状的旋臂,分别被命名为人马臂、英仙臂、猎户臂和天鹅臂。进入上世纪90年代后,通过引力透镜的分析方法,科学家认识到除了这4条旋臂之外,银河系中心还存在一个旋转的棒状结构,使得银河系的中心呈现类似花生的短棒形态。像银河系这种既有旋臂、又有旋棒的星系,天文学家将其称为棒旋星系。

银河系的整体自转,是1887年由俄国天文学家斯特鲁维发现的。对于旋转运动的速度,我们既可用线速度也可以用角速度来描述。线速度指单位时间内物体因为旋转走过的实际路程,而角速度则指单位时间内转过的角度。

比如,我们让2名运动员在圆形跑道上比赛跑步,如果2名运动员跑完一圈的时间一样多,那么两者围绕跑道中心旋转的角速度就相同。但因处于外圈的运动员所处的圆周半径更大、周长更长,跑过一圈后完成了更多路程,因此线速度更大。

随着天文学的发展,人们目前可通过射电观测、造父变星观测等方式,确定恒星绕银河系中心的旋转速度变化情况。对于距离银河系中心较近的恒星,环绕银河系旋转的角速度基本相同,而线速度自然与半径成正比,其旋转方式与旋转中的车轮类似。随着与银河系中心距离的增加,则出现了较差自转现象,旋转的线速度不再发生明显变化,而角速度则变得越来越小。

如果将处于较差自转范围内的恒星看作运动员,那么处在内圈的运动员跑完一圈的用时,要比外圈运动员用时少。

我们的太阳就处在银河系较差自转出现的区域,绕银河系中心旋转的速度高达210公里/秒。不过,由于运动的相对性,居住在地球上的人们对如此高的速度并没什么感觉。

当牛顿提出物理学上具有划时代意义的力学三定律和万有引力定律时,启发他的是天文学家长期积累的天体运动资料。

在当时的观测资料中,一个天体围绕另一个天体旋转的向心力,可由另一个天体产生的万有引力提供。然而,当天文学家研究银河系的旋转情况时,发现银河系内部发光物质所提供的质量,不足以维持距离银河系中心的恒星应有的旋转速度。也就是说,如果只依靠我们已知的物质形态提供的引力,银河系外部早就“分崩离析”了。

由于牛顿的万有引力定律已经过诸多现象验证,因此,天文学家们提出了暗物质的猜想。即在银河系中,存在着我们目前未知的一种物质存在形态——暗物质。这部分暗物质提供了足够引力,让银河系外部维持现在的自转速度。

在与银河系“踩刹车”相关的研究中,天文学家使用了欧空局发射的“盖亚”探测器的数据。这个探测器上装备了望远镜、光度计和光谱仪等天文探测常用的仪器。与为其他科学目标设计的探测装置相比,“盖亚”探测器在结构和功能设计上,特别适用于精准测量天体的位置和运动。天文学家选取了一类被称作“赫拉克勒斯流”的恒星作为研究对象。从诞生起,这些恒星就沿着银河系旋棒自内向外迁移。

在恒星演化的过程中,原子数比氢、氦、碳更高的重元素,只能产生在比较苛刻的环境中。通过对“赫拉克勒斯流”中恒星的重元素相对含量进行分析,天文学家发现,它们诞生的地方比现在的位置更接近银河中心。而进一步的计算分析表明,这些恒星应该是由于银河系旋棒旋转速度的变慢,才开始了从银河中心向外迁徙的过程。

那么,让银河系旋棒旋转速度变慢的原因是什么呢?据天文学家进一步研究分析表明,很有可能是银河系内最神秘部分——暗物质晕抢走了本来属于旋棒的角动量,在让自身旋转起来的同时,让我们可观察到的银河系“踩了刹车”。

按照目前的宇宙学和暗物质理论,暗物质并非集中在银河系中心,而是弥散在整个银河系中,形成了暗物质晕。暗物质晕的存在范围,甚至可以扩展到可见的银河系范围之外。虽然,我们无法直接观测到暗物质晕的存在,但通过理论分析和超级计算机模拟,已可给出一定程度上自洽的暗物质晕结构和暗物质分布情况。通过对银河系旋棒旋转速度减慢程度的估算,在一定程度上可为探明暗物质晕中暗物质的总质量提供证据。

实际上,如果我们将视角投向银河系之外的宇宙,会发现暗物质让星系“踩刹车”的这种现象普遍存在于不同星系中。2017年,加那利群岛天文研究所的科研人员发表在《天体物理学杂志》上的一项科研工作,对上百个星系的旋棒旋转速度进行了测量,结果都表明:星系的旋棒旋转速度比我们之前通过理论计算得到的要慢。而对于这一现象,研究人员的解释同样是“暗物质拖慢了星系的旋转”。

除了天文学界接受的比较普遍的暗物质理论外,对于星系旋转的重力来源也有其他的理论流派。而银河系“踩刹车”的现象,也许是任何一种理论假说都必须解释的现象。


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