銀河系的轉動曲線表明在銀暈中存在大量的暗物質

2020-11-14 天體生物學

天體生物學·黃姤

銀河系的整體圖像

通過光學和射電的觀測，從不同的天體來研究銀河系的物質整體分布以及它們的運動的狀況，可以得到銀河系的一個整體圖像，銀河系有多條旋臂物質並不是均勻地分布在整個銀盤上面的，它們連接成了不同的旋臂狀的結構，銀盤上面有多條旋臂：天鵝臂、英仙臂、獵戶臂、人馬臂、盾牌-南十字臂和矩尺臂。

圖解：光學和射電波段的銀河系圖像——紅色是利用光學波段觀測得到恆星的分布，藍色是利用射電波段觀測得到的氣體雲的分布，平面是銀河系的銀道面，所以以我們觀測者的身份是在銀河系銀道面的上方來看物質分布的

旋臂有長的、有短的，太陽就位於獵戶臂這條比較短小的旋臂上面，旋臂的結構本身就暗示了銀河系在轉動，通過恆星、氣體的譜線觀測可以測量到它們的轉動速度，因為氣體在轉動的時候所發出來的譜線會發生「都卜勒位移」，而位移量的大小反映了銀河系轉動的快慢，所以利用這個方法可以測量在距離「銀心」不同半徑的區域物質的轉動速度，從銀河系中心位置的變化就可以畫出氣體雲或者是恆星轉動速度的變化，這個稱為「銀河系的轉動曲線」或者「自轉曲線」。

銀河系在「剛體轉動」

在銀河系最裡面的區域，它基本上是一個「剛體轉動」，它的角速度是一致的，隨著半徑的增加，轉動的速度開始下降，在距離銀心3 kpc（3千秒差距）的區域旋轉速度達到了極小值，然在太陽軌道附近的區域旋轉速度達到了極大值，這是銀河系裡的「轉動曲線」。「河外」的一些盤狀星系的轉動曲線與銀河系也是類似的，但是「銀河系的轉動曲線」和太陽系裡面的物質轉動曲線差別是非常大的，所以它反映了銀河系的組成和一些重要的物理信息。

假設銀河系所有的質量都是由銀盤裡的恆星所提供，那麼在恆星的引力作用下，應該遵循一個近似的「克卜勒轉動」，換句話說，半徑越大，轉動的速度應該越小。實際情況其實是相反的，即使是在銀河系的外區，轉動速度依然維持著一個比較高的數值，這說明在銀河系裡面有更多的物質或者是引力使得天體可以保持一個比較高的轉動速度，並且這份物質不可能分布在銀河系的銀盤範圍之內，應該分布在銀盤的範圍之外，只有這樣才能夠維持在外區還能夠保持一個比較高的運動速度。

但是在觀測上看到在銀盤外面的「銀暈」，發現能夠發光的天體，無非就是銀河系裡面的球狀星團和一些「暈星」，而它們所提供的質量是非常小的，所以由於這個原因可以得到的一個結論——由「轉動曲線」所推測的銀河系總的引力質量達到了10,000億個太陽質量，這個質量遠遠地超過了銀河系裡面的恆星所能夠提供的質量，並且這份質量應該主要地分布在銀河系的銀盤外圍，因此根據這些特點推測在銀河系裡面應該存在著大量的暗物質、不發光的物質，但是它們能能夠提供引力，並且主要分布在銀河系的「銀暈」裡面，所以銀河系的「暈」，也稱為「暗物質暈」，這是暗物質分布的最主要場所。

上面的結論同樣也可以用在與銀河系類似的盤狀星系裡面，所以「暗物質」是星系裡面提供質量的最主要成分。

黃姤/作品

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