銀河系內潛伏著多少暗物質？

晴朗的夏季夜晚，我們能夠看到跨越天空、由數不清的恆星組成的星帶，然而這些恆星實際上只是我們銀河系的一部分。目前科學家認為星系由看不見的「暗物質暈」 包裹，銀河系外圍的暗物質暈可延伸至星系盤尺度的十幾倍開外。

銀河系由暗物質暈包裹

除去氣體，這團暗物質暈中存在著諸多恆星、星團及衛星星系等天體。從廣義上來說，銀河系的邊界應該被定義為能夠包含所有這些天體的一個合適的距離，銀河系的總質量應考慮該距離內所有物質的總和。但暗物質本身並不發光，即不存在任何電磁波段的輻射，人們又該通過何種手段來探索銀河系內潛伏的暗物質呢？

《中國科學：物理學 力學 天文學》英文版2020年第63卷第10期刊登了關於如何通過暗物質對其他明亮天體運動的影響來間接測量銀河系總質量的綜述文章「The mass of our Milky Way」[1]，該文章由上海交通大學天文系的王文婷副研究員及韓家信特別研究員擔任通訊作者，李昭洲博士等人共同撰寫。

哪些方法可間接探索銀河系內潛伏的暗物質？

就和太陽對地球的引力作用一樣，暗物質對銀河系中的各種天體也存在引力作用。因此，儘管暗物質無法被直接看到，我們仍可以利用其他天體在暗物質影響下的運動規律來間接窺探神秘的暗物質。

就像利用地球的公轉速度可以大致計算出太陽的質量一樣，在銀河系的星系盤上，恆星和氣體繞銀河系中心做規律的旋轉，人們可以通過觀測這些氣體和恆星的旋轉速度來計算對應距離內潛伏的暗物質質量；而在更遠的距離處，恆星、衛星星系或球狀星團雖並不做規則的旋轉運動，但人們可以通過對他們的位置及速度建立模型並進行統計分析，得到理論的旋轉速度[2-4]；有趣的是，銀河中還有一些超高速運動的恆星（部分這類恆星被認為來自於銀河中央的黑洞），他們可用來有效估計銀河系的逃逸速度和總質量[5]；此外，衛星星系及球狀星團受到潮汐力的影響，其自身的恆星會被剝離形成帶狀的星流，延展的星流可以跨越巨大的空間尺度（如下圖），因此攜帶著不同距離處有關暗物質分布的寶貴信息，可用來限制暗物質暈的質量、整體形狀，甚至探索暗物質潛伏在小尺度上的塊狀或帶狀子結構[6]。

銀河系周邊的帶狀星流（圖片來源：NASA）

走出銀河系，我們有一個鄰居，仙女座大星雲(M31)。實際上，銀河系及M31的相對運動不僅與兩者的質量決定的萬有引力有關，也可能受到加速宇宙膨脹的暗能量影響。這是因為引力造成物質互相吸引，而暗能量在宇宙中的作用是使得天體相互遠離。在天體間的距離較近的時候，這種宇宙膨脹效應相對物質間的引力作用來說顯得較為次要，這也是為什麼銀河系及M31目前正在互相靠近，並將在遙遠的未來發生異常激烈的星系級別的碰撞。聰明的科學家通過對兩者的運動進行建模，同樣能夠分別測量他們的總質量[7,8]。

觀測和理論的挑戰——鬥轉星移、孜孜不倦

儘管明亮天體的運動攜帶了暗物質的信息，但要做到精確測量這些天體的運動卻並不是一件容易的事情，或許這也是為什麼在過去二十年內，人們對銀河系總質量的不同測量間存在著至少2倍的差異。舉例來說，我們對恆星的大概印象是：除了由地球本身自轉引起的東升西落，恆星在夜空中的相對位置是不變的，星座的形態基本是固定的。而事實上，恆星的位置是會隨著時間發生改變的，假如我們十萬年後再觀測獵戶座，看到的一定不是今天的四邊形——這種改變反映了恆星垂直於我們觀測者視線方向的速度[9]。但人類的壽命有限，要在數年至數十年內精確測量這些微小的改變，不僅對望遠鏡和相關儀器設備的要求很高，科學家們還必須考慮一系列的系統誤差，比如地球大氣折射對恆星觀測位置的影響等。

雖然困難和挑戰都很大，數十年來科學家們依舊不斷地堅持發展大型望遠鏡設備和觀測技術，至今已經積累了銀河系的海量觀測數據。其中，中國的郭守敬望遠鏡（LAMOST）也做出了重要貢獻[10-13]。隨著歐洲空間局的大地母親（Gaia）衛星的升空及持續觀測，已經有超十億顆恆星[14]得到了高精度的位置及速度測量。

Gaia衛星測量了銀河系內超十億顆恆星的位置及速度信息（圖片來源：NASA）

同時，伴隨著這些不斷改進的觀測技術和數據精度，人們對理論模型的要求也越來越高，為此科學家們也是孜孜不倦地針對模型的各個具體方面做出一步步的改進，並藉助現代大型計算機進行高解析度的宇宙數值模擬，用以檢驗理論模型[15]。

我們的銀河系由暗物質主導

2018年以來，基於Gaia的觀測數據，對銀河系總質量的測量誤差已經顯著縮小，目前認為銀河系的總質量數值約為太陽質量的10¹²倍[1]，其中恆星及星系盤上的冷氣體所佔的比例約為5%-10%。考慮到銀河系內可能存在尚未觀測到的彌散熱氣體，這一比例將可能進一步提高。在我們的宇宙中，除去暗物質以外的其他物質的平均比例也僅為15%。總體來說，和廣袤無垠的宇宙一樣，我們銀河系的總質量也是由潛伏著的暗物質所主導的[16-18]。

通訊作者簡介

王文婷

上海交通大學天文系副研究員。2013年在中國科學院上海天文臺獲博士學位；2013-2016年在英國杜倫大學任博士後；2017-2019年在日本東京大學卡維理數物連攜宇宙研究所任博士後。研究方向涉及小質量衛星星系及近場宇宙學、星系形成和演化、星系-暗物質暈關聯、銀河系動力學質量測定及恆星自行測量、宇宙大尺度結構、弱引力透鏡等。

韓家信

上海交通大學天文系特別研究員，博士生導師，獲得國家人才項目支持。2013年在中國科學院上海天文臺獲博士學位；2013-2016年在英國杜倫大學任博士後；2016-2018年在日本東京大學卡維理數物連攜宇宙研究所任博士後。研究方向主要為暗物質的天體物理研究，包括通過各種理論和觀測手段（數值模擬、引力透鏡、動力學分析以及間接探測等）探索真實宇宙中的暗物質分布和屬性。

參考文獻：

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[18] Zaritsky, D., Courtois, H., A dynamics-free lower bound on the mass of our Galaxy, 2017, MNRAS, 465, 3724

來源：中國科學雜誌社

編輯：Kun