银河系惊喜:银河系较慢的外星表明暗物质被高估了

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麻省理工学院的新研究表明,银河系边缘的恒星移动速度比预期的要慢,这意味着银河系的核心可能含有较少的暗物质,挑战了当前的天文学理论。

麻省理工学院的研究表明,银河系外层恒星的旋转速度较慢,这表明核心较轻,暗物质较少,这与之前的假设相矛盾。

麻省理工学院的物理学家通过记录整个银河系中恒星的速度,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:银河系的引力核心的质量可能比以前认为的要轻,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。盖亚是一个轨道太空望远镜,可以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则是一项地面巡天。物理学家分析了盖亚对超过33,000颗恒星的测量结果,包括银河系中一些最远的恒星,并确定了每颗恒星的“圆速”,即恒星在银河系盘中旋转的速度,考虑到恒星与银河系中心的距离。

 

了解银河系自转

科学家们绘制了每颗恒星的速度与其距离的关系,以生成旋转曲线 – 这是天文学中的标准图表,表示物质在距星系中心的给定距离处旋转的速度。这条曲线的形状可以让科学家了解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。“这意味着外层恒星的旋转速度比预期的要慢一些,这是一个非常令人惊讶的结果。

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麻省理工学院物理学家的一项研究表明,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。图片来源:ESA/Gaia/DPAC,由麻省理工学院新闻编辑

挑战暗物质理论

研究小组将新的旋转曲线转化为暗物质的分布,可以解释外层恒星的减速,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更低,暗物质更少。

“这使得这个结果与其他测量结果紧张,”Necib说。“在某个地方发生了一些可疑的事情,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》的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旋转的方式不能纯粹由可见物质驱动的人。她和她的同事测量了恒星的圆速,发现由此产生的旋转曲线令人惊讶地平坦。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,一定是某种其他类型的不可见物质作用于遥远的恒星,以增加它们的推动力。

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,估计比宇宙中所有的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自转曲线。

“事实证明,当你坐在星系内部时,测量旋转曲线是比较困难的,”Ou指出。

来自Gaia Data的新见解

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旋转曲线似乎是平坦的,尽管有轻微的下降,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,这次包括远至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,我们正处于星系的边缘,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。

诡异的张力

Frebel、Necib、Ou 和 Eilers 利用 Gaia 的新数据,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70万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一个算法中,试图学习连接,然后可以让我们更好地估计恒星的距离,”Ou解释道。“这就是我们向更远的地方推进的方式。”

该团队确定了超过33,000颗恒星的精确距离,并利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,范围约为30千秒差距。然后,他们将这张地图合并到圆速模型中,以模拟任何一颗恒星的行进速度,给定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。

“这就是奇怪的地方,”Necib 说。

研究小组没有像以前的旋转曲线那样看到温和的下降,而是观察到新曲线在外端的下降比预期的要强。这种意想不到的衰退表明,虽然恒星可能在一定距离内以同样快的速度行进,但它们在最远的距离上会突然减速。外围的恒星似乎比预期的要慢。

探索银河系的奥秘

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所含的暗物质可能比以前估计的要少。

“这个结果与其他测量结果存在紧张关系,”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。我们试图在即将到来的工作中找到这些答案,使用类银河系的高分辨率模拟。

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