科學家提出利用銀河系失蹤重子測量其總質量新方法

人類居住的銀河系擁有許多意義深遠的謎團。天文觀測提供了有力的證據，表明銀河系由暗物質主導，而普通物質（即重子）大約僅佔銀河系總質量的6％。這個比例低於大爆炸核合成理論所預言的宇宙重子比例（16％），而解決這個銀河系失蹤重子之謎的關鍵一步是精確測量銀河系的總質量。

近日，中國科學院上海天文臺由研究員郭福來帶領的研究團隊，提出一種測量銀河系總質量的新方法。科研人員首次利用銀河系周圍星系周^[1]介質中的熱氣體溫度測量了銀河系總質量，相關研究成果發表在《天體物理學雜誌快報》上。

以往人類對銀河系質量的測量，主要基於觀測到的銀河系盤或暈中恆星、星團與衛星星系的旋轉或隨機速度。銀河系質量越大，這些無碰撞天體在平衡狀態下運動得越快。到目前為止，測得的銀河系質量大約是太陽質量的一萬億倍。然而，不同的觀測方法給出的銀河系總質量誤差仍然較大，可小到五千億倍太陽質量以下，也可大到兩萬億倍太陽質量以上。

郭福來團隊提出了全新的方法，使用銀河系暈中的熱氣體作為測量銀河系質量的探針。自20世紀50年代以來，天文學家發現較多不同的觀測證據，表明銀河系周圍存在著大量彌散的百萬度高溫熱氣體，可能延伸到數十萬光年之遠。這個熱氣體暈的總質量尚不確定，但可能佔銀河系失蹤重子的較大一部分。近年來，該團隊詳細研究了銀河系熱氣體暈的空間溫度與密度分布、觀測特徵，以及與銀河系中各種能量爆發過程的相互作用。研究顯示，銀河系熱氣體暈趨於穩定狀態後的溫度分布受銀河系總質量的影響最敏感，而熱氣體暈總質量及其所含重元素豐度對此幾乎沒有影響。銀河系質量越高，熱氣體暈的溫度就越高。銀河系中的恆星幾乎不相互碰撞，而熱氣體暈中的等離子體粒子之間會相互碰撞。使用該方法，意味著熱氣體溫度取代了無碰撞天體的速度，成為新方法中測量銀河系質量的關鍵物理量。利用X射線太空望遠鏡觀測到的銀河系熱氣體暈溫度，該新方法測量到的銀河系總質量為太陽質量的1.2-3.0萬億倍（如圖）。

新方法測量的銀河系質量在太陽質量的一萬億倍以上，這具有深遠的重要意義。首先，它暗示著銀河系的大型衛星星系，如大小麥哲倫星雲和獅子座一號矮球狀星系（Leo I dwarf spheroidal），都被銀河系束縛著。如果銀河系質量比一萬億倍太陽質量低，它們將不受銀河系的引力束縛。其次，這意味著即使把熱氣體暈考慮進來，銀河系仍缺失很大比例的重子。這些缺失的重子可能存在於銀河系暈之外，或正處於尚未被探測到的冷氣體狀態。如果銀河系質量比一萬億倍太陽質量低，那麼銀河系將沒有失蹤重子問題。第三，它暗示著宇宙學中所謂的「大而不能失敗」問題（Too Big To Fail Problem）仍然嚴峻，可能挑戰現代宇宙學標準模型中的冷暗物質理論。後者預言，銀河系的一些衛星星系應該比目前觀測到的質量更大，且內區物質密度更高。如果銀河系質量低於太陽質量的1萬億倍，標準模型的預言將與觀測相符，「大而不能失敗」問題也就消失。

「我們工作最重要的貢獻也許是它提供了一種完全獨立的方法來測量銀河系總質量。與傳統的運動學方法相結合，它可以對銀河系質量做出更精確的測量，」郭福來總結道。

在一個代表性的銀河系熱氣體暈模型中，沿視線方向平均的熱氣體溫度分布（GUO et. al. 2020）。圖片中心代表朝向銀河系中心的視線方向。XMM-牛頓X射線太空望遠鏡的觀測發現，在遠離銀河系中心方向的視線上，熱氣體溫度大約在兩百二十萬度上下（圖中的點，Henley & Shelton 2013），與模型預言一致。圖片來自於GUO et al. (2020)。

[1]：「星系周介質」為「circumgalactic medium」的中文翻譯，是一個比較新的專有名詞，指星系盤之外、星系暈中維理半徑以內的介質。

來源：中國科學院上海天文臺