银河系外侧的旋转速度竟然更慢？

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 风月同天|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索

翻译：酥油饼

校译：甘林

审阅：牧夫天文校对组

美编：余家劲

后台：李子琦

https://sorae.info/astronomy/20240207-milky-way.html

众所周知，星系的旋转速度与万有引力定律预测的有所不同，这一现象被称为“星系旋转曲线问题”。尽管我们对于这个问题已经在许多星系中进行了测定，但由于观测上的困难，至今未能准确地测定我们所居住的“银河系”的旋转曲线。(正所谓不识庐山真面目，只缘身在此山中。)

麻省理工学院的Xiaowei Ou研究团队以超过12万颗恒星的数据为基础，估计了3万颗以上恒星的移动速度，以此推算出银河系的旋转速度。结果发现，银河系外围的旋转速度比预期的要慢。如果这个结果是正确的，那么意味着银河系中心部分含有的“暗物质”的量比预期的要少。

【▲图1：银河系的想象图和地图（Credit: NASA, JPL-Caltech, ESO & R. Hurt）】

■宇宙学的主要谜团：星系旋转曲线问题

在1619年，开普勒提出了“开普勒第三定律”，表明绕一个引力源公转的天体的速度由引力源的强度和距离决定。例如，在太阳系中，水星以约47km/s的速度公转，而地球的公转速度约30km/s，海王星的公转速度约5km/s，天体距离太阳越远，公转速度逐渐变慢。

这个原理应该也适用于星系。星系由众多天体组成，具有一定的大小，因此对其的计算并不像以太阳为唯一引力源的太阳系那么简单。尽管如此，基于开普勒第三定律，我们仍然可以计算出星系内各个位置的引力强度。这个引力强度可以通过观测星系的亮度并估计恒星的质量得到。

【▲图2：“M33“星系的旋转曲线。理论预测的旋转曲线（虚线）和观察所得到的旋转曲线（实线）大相径庭（Credit: Stefania.deluca）】

然而，在1930年代到1950年代--我们能够观测到星系中恒星的移动速度之后，便开始出现与预测相矛盾的结果。根据开普勒第三定律的计算，恒星的移动速度应该随着与星系中心的距离增加而减慢。但是，从实际观测结果来看，恒星在中心附近和外缘部分的移动速度几乎没有变化，甚至在一些星系中，越靠外部的恒星速度反而会增大。

由于理论上得到的星系旋转速度图与实际测量的星系旋转速度图之间存在显著差异，这被称为“星系旋转曲线问题”。星系旋转曲线问题到了1970年代几乎成为了一个确定的问题，并且至今仍是宇宙学中一个主要的未解之谜。为了解决这个问题，人们提出了几种理论，其中最为广泛接受的是“暗物质”的存在。

■“星系”的旋转速度尚未解明

虽然可能令人意外，但一直以来我们都难以测量人们所居住的“银河系”的旋转速度，直到近年来才有了较为准确的测量值。如前所述，星系的旋转速度是基于恒星的移动速度来计算的。而对于河外星系中的恒星，因为从地球到恒星的距离等同于到星系的距离，所以这不成什么问题。

然而，对于太阳系所在的银河系内的恒星来说，从地球到恒星的距离各不相同，近的远的都有。由于地球位于接近银河系的中部，银河外缘部的恒星距离地球也更远。这就导致恒星的视位置变化几乎不明显，因此测量恒星的移动速度也很困难。

因此，只有对恒星的位置和距离进行极其精确的观测，并获得大量此类数据，才能对银河系的旋转速度进行精确测量。Ou氏团队的研究也是基于大量精确的恒星位置测量数据才得以实现。其中特别使用了欧洲航天局（ESA）发射的盖亚太空望远镜的数据。盖亚太空望远镜能同时观测多颗恒星，并获取它们精确的位置数据。这项研究中还使用了SDSS（斯隆数字化巡天）、2MASS（2微米全天巡视）和WISE（广域红外巡天探测者）的观测数据。

【▲图3：本次研究中调查的3万3335颗恒星的移动速度的图表。一个箭头代表约1600光年范围内恒星的移动速度和方向的平均值（Credit: Xiaowei Ou, et al）】

Ou氏团队利用恒星的观测数据来确定恒星的位置与到银河系中心的距离，然后确定恒星的移动速度，最后是估计银河系本身的旋转曲线。这项研究的数据集非常庞大，研究了12万309 颗恒星的位置和距离，其中3万3335 颗恒星的移动速度得到了估算，从而确定了银河系的旋转曲线。其中包括距离星系中心约81000光年的恒星。通过这些数据，Ou氏团队成功估算出银河系在距离中心约 2 万光年到 9 万光年范围内的旋转曲线。

■研究发现银河系外围的旋转速度较慢！

研究中的一些结果令人吃惊。银河系的旋转曲线与其他星系的旋转曲线基本吻合，但在距离中心超过大约65000光年的地方，其旋转曲线急速下降。换句话说，银河系最外围恒星的移动速度比其他星系的测量结果估算出的旋转曲线要慢。

我们在上一章假定暗物质的存在可以解释银河系外缘恒星的移动速度，可结果与其相反。也就是说，银河系外缘恒星的移动速度更慢意味着银河系中心含有的暗物质的量更少。通过Ou氏团队的模拟结果来看，如果假设银河系中心含有的暗物质比我们预测的要少，就能最好地解释观测到的结果。

根据这一点重新计算的话，本次研究中计算出的包括暗物质（位力质量）在内的整个银河系的质量，是太阳质量的1810亿倍。这比之前估计的6940亿倍太阳质量（NFW密度轮廓）要小得多，约为四分之一。

本次研究的结果与过去的研究有较大的差异，因此Ou氏团队对此也较为困惑。因为银河系是宇宙中典型的星系类型，其结果应该适用于整个宇宙。没有人知道这些星系是否真的像结果显示的那样暗物质含量很少，或者研究方法是否有误从而导致了这种奇怪的结果，或者这是否是一种新的能够修正牛顿力学的引力理论的迹象。Ou氏团队的研究表明，获取银河系的旋转曲线是可能的，因此他们希望进一步改进测量和研究方法以此解决出现的差异。

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

来自盖亚的三维银河系运动

图源：ESA, Gaia, DPAC

谢谢阅读