研究：恒星在银河系边缘的行进速度更慢

麻省理工学院的物理学家通过对整个银河系中恒星的速度进行计时，发现与靠近银河系中心的恒星相比，银河系盘中更远的恒星的行进速度比预期的要慢。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更轻，并且含有更少的暗物质。

新结果基于该团队对Gaia和APOGEE仪器所获取数据的分析。盖亚是一架轨道太空望远镜，可跟踪整个银河系中超过 10 亿颗恒星的精确位置、距离和运动，而 APOGEE 是一项地面调查。物理学家分析了盖亚对33,000多颗恒星的测量结果，其中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”，即一颗恒星在银河系盘中盘旋的速度，给定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其距离的关系，以生成一条旋转曲线 – 天文学中的标准图表，表示物质在距星系中心给定距离处的旋转速度。这条曲线的形状可以让科学家了解在整个星系中分布了多少可见物质和暗物质。

“我们真正惊讶地看到，这条曲线保持平坦，平坦，平坦到一定距离，然后它开始下降，”麻省理工学院物理学助理教授Lina Necib说。“这意味着外星的自转速度比预期的要慢一些，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，可以解释外星的减速，并发现由此产生的地图产生了比预期更轻的星系核心。也就是说，银河系的中心可能比科学家想象的密度低，暗物质也少。

“这使这个结果与其他测量结果相冲突，”Necib说。“某处正在发生一些可疑的事情，弄清楚它在哪里，真正拥有银河系的连贯画面真的很令人兴奋。

该团队本月在 《皇家学会杂志月刊》上报告了其结果。该研究的麻省理工学院合著者，包括Necib，是第一作者Xiaowei Ou，Anna-Christina Eilers和Anna Frebel。

“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，它的旋转部分是由其盘内旋转的所有物质驱动的。在1970年代，天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）是第一个观察到星系以不能纯粹由可见物质驱动的方式旋转的人。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奇地平坦。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。他们得出的结论是，某种其他类型的不可见物质一定作用于遥远的恒星，以给它们带来额外的推动力。

鲁宾在旋转曲线方面的工作是暗物质存在的首批有力证据之一，暗物质是一种看不见的、未知的实体，估计比宇宙中的所有恒星和其他可见物质都重要。

从那时起，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，天文学家才试图用恒星绘制我们银河系的旋转曲线。

“事实证明，当你坐在星系内时，测量旋转曲线是比较困难的，”Ou指出。

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早期一批数据绘制了银河系的自转曲线。该数据发布包括距离银河系中心25千秒差距（约81,000光年）的恒星。

基于这些数据，艾勒斯观察到银河系的自转曲线似乎是平坦的，尽管略有下降，类似于其他遥远的星系，并且通过推断，该星系的核心可能含有高密度的暗物质。但现在，随着望远镜发布了一批新的数据，这种观点发生了变化，这次包括远达30千秒差距的恒星 – 距离银河系核心近100,000光年。

“在这些距离上，我们正处于银河系的边缘，恒星开始逐渐消失，”弗雷贝尔说。“没有人探索过物质是如何在这个外星系中移动的，我们真的处于虚无之中。

诡异的紧张感

Frebel、Necib、Ou 和 Eilers 对 Gaia 的新数据进行了研究，希望扩展 Eilers 的初始旋转曲线。为了完善他们的分析，该团队用APOGEE（阿帕奇点天文台银河演化实验）的测量结果补充了盖亚的数据，该实验测量了银河系中超过700,000颗恒星的极其详细的特性，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到算法中，以尝试学习连接，然后可以让我们更好地估计恒星的距离，”Ou解释道。“这样我们才能向更远的地方推进。”

该团队确定了超过33,000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的恒星的三维地图，这些恒星散布在大约30千秒差距。然后，他们将这张地图整合到圆速模型中，以模拟任何一颗恒星的行进速度，考虑到银河系中所有其他恒星的分布。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。

“这就是怪异的地方，”Necib说。

该团队观察到，新的曲线在外端的下降幅度比预期的要大，而不是像以前的旋转曲线那样出现温和的下降。这种出乎意料的低迷表明，虽然恒星在一定距离上可能以同样快的速度行进，但它们在最远的距离上突然减速。郊区的恒星似乎比预期的要慢。

当研究小组将这条旋转曲线转换为整个银河系中必须存在的暗物质数量时，他们发现银河系的核心可能含有的暗物质比以前估计的要少。

“这个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远的影响。这可能会导致在银河系盘边缘之外出现更多隐藏的质量，或者重新考虑我们银河系的平衡状态。我们寻求在即将到来的工作中找到这些答案，使用银河系类星系的高分辨率模拟。

这项研究部分由美国国家科学基金会资助。