圖說：這是衛星星系和寄主星系合併時的藝術想象圖：這些高懸在銀河系上方的星流是數十億年間被我們星系的引力撕碎的星系和星團的遺蹟。這些星流跨越北天的很大部分，距離地球13000到130000光年。
確定一個星系的質量看起來是一項深奧的任務，但科學家們認為這是揭示難以捉摸、尚未看到的暗物質本質和我們宇宙結構的關鍵。
根據美國亞利桑那大學的Ekta Patel領導的一個研究小組的工作，一種估計星系質量的新方法可以得到更可靠的結果，特別是應用於當前和未來巡天所產生的大量數據時。近期在《天體物理學雜誌》上發表的這項研究首次實現了將觀測得到的一些銀河系衛星星系的三維運動與廣泛的計算機模擬結合起來以獲取我們星系質量的高精度估計。
確定星系的質量對於揭開宇宙體系結構的基本奧秘起著關鍵作用。根據當前的宇宙學模型，星系的可見物質，例如恆星、氣體和塵埃，只佔星系質量的百分之十五。人們相信剩下的百分之八十五是暗物質——一種從未看到、物理性質很大程度上仍然未知的神秘成分。絕大多數星系的質量（大部分是暗物質）位於星系暈中。這是一個幾乎沒有恆星的周邊區域，其形狀在很大程度上還尚未為人所知。
在一個廣為接受的宇宙學模型中，暗物質絲狀結構（filaments）橫跨整個宇宙。它們把發光（“普通”）物質拖到身邊。在它們交匯的地方，氣體和塵埃聚集、塌縮形成星系。在數十億年間，小星系合併形成更大的星系，隨著這些星系長大，它們的引力深入越來越遠的空間。它們吸引了一堆其他小星系，這些星系後來變成衛星星系。它們的軌道由寄主星系決定，就像太陽的引力決定了太陽系中行星和天體的運動一樣。“我們現在知道宇宙正在膨脹。”亞利桑那大學天文系和Steward天文臺的四年級研究生Patel說。“但當兩個星系足夠靠近時，它們相互之間的引力比膨脹宇宙的影響大，於是它們開始圍繞一個共同的中心運動，就像我們的銀河系和我們最近的鄰居，仙女座星系。”
儘管仙女座星系以110千米每秒的速度靠近銀河系，但這兩個星系要到大約45億年之後才會合併。根據Patel的說法，追蹤仙女座星系的運動“相當於在月球距離觀察人的頭髮生長。”
因為不可能僅僅通過看一個星系來為它稱重——更不用說觀測者正好在它裡面了，我們的銀河系就是這種情況——研究人員通過研究天體圍繞寄主星系、由寄主星系引力主導的運動來推斷星系的質量。這些天體——也被稱為示蹤物，因為它們追蹤了寄主星系的質量——可以是衛星星系或者以前由於太靠近而無法全身而退的星系所產生的星流。
與之前通常用於估計星系質量的方法（例如測量示蹤物的速度和位置）不同，Patel和她的合作者發展的這個方法使用示蹤物的角動量，會給出更可靠的結果，因為角動量不隨時間變化。物體在空間中的角動量依賴於其距離和速度。衛星星系往往在橢圓軌道上繞銀河系運動，它們的速度隨著它們靠近我們的星系而增加，隨著遠離而減小。而角動量是位置和速度的乘積，不管示蹤物在軌道上最近還是最遠的位置都沒有變化。
“想象一個花樣滑冰運動員做一個旋轉，”Patel說。“當她收回手臂時，她轉得更快。換句話說，她的速度變了，但她的角動量在整個過程中保持不變。”
6月7日，Patel在丹佛舉行的美國天文學會第232次會議上報告了這項研究。它首次關注銀河系50個已知的衛星星系中九個的三維運動，並將它們的角動量測量和一個包含總共20000個與我們自己的星系類似的寄主星系的模擬宇宙相比較。這些模擬的寄主星系含有大約90000個衛星星系。
Patel的研究團隊將銀河系的質量確定為9600億太陽質量。先前估計我們星系質量在7000億太陽質量到20000億太陽質量之間。這些結果進一步表明仙女座星系（M31）比我們的銀河系質量更大。
作者希望將它們的方法用於當前和未來的星系巡天（例如Gaia空間天文臺和LSST，大型綜合巡天望遠鏡）不斷產生的數據。根據文章合作者、亞利桑那大學天文系助理教授Gurtina Besla的說法，對衛星星系速度的新觀測，以及下一代模擬將提供更高分辨率，使得科學家能得到對最小質量的示蹤物（所謂的極暗星系）更好的統計，對銀河系質量的限制將得到改善。
“我們的方法允許我們在利用多個衛星星系速度的同時以穩健的方式就冷暗物質理論對銀河系暗暈質量的預言獲得一個答案。”Besla說。“它非常適合利用當前觀測數據和數值能力的快速增長。”
編譯：錢磊 審稿：西莫 編輯：程建蘭
來源： https://www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180606173803.htm
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