旋转减慢四分之一，神秘暗物质，或是银河系的刹车

2022-11-02 15:58:54 来源：科普中国

惯性质量拖慢星系，广阔空间难测身影，我们离揭开暗物质之谜还有多远？

(相关资料图)

暗物质正在为我们的银河系的旋转提供“刹车”

银河系旋棒的自转速度已经被减缓了四分之一。

一位艺术家为我们在宇宙中的家——银河系描绘的印象图。

图片来源：国家宇航局（NASA）喷气推进实验室（JPL）

我们的银河系以每秒130英里（210千米）的巨大速度旋转着。然而，一项新的研究表明，自它在将近十四亿年前诞生以来，暗物质已经把银河棒的旋转速度减慢了至少24%。

“天文物理学家们长久以来一直假设我们的银河系中心的旋转棒正在减速，而现在我们找到了第一个能够证实它正在发生的证据。” 这项研究的共同作者，来自伦敦大学的天文物理学家拉尔夫·斯柯恩瑞琪在一份声明中写道。

这些新发现不仅阐明了银河系的旋转，也为洞察宇宙中最难以捉摸的材料——暗物质的本质提供了可能性。

银河系是一个具有棒的旋转星系，有着一条位于中心的厚重高密度恒星带和在宇宙中伸展着的巨大旋臂。科学家们认为一个由暗物质构成的光环围绕着银河系，从它的可见边缘延伸出去很远，就像在其他的星系中出现的那样。

在这项新的研究中，研究人员们使用了来自于一项由宇航局发起的，记录了上亿颗恒星的位置数据的任务——盖亚的数据。它们被用于研究赫克洛斯喷流，一个以与旋转棒本身的自转相同的速率围绕银河运行的密集的星团。由于赫克洛斯喷流中的恒星被旋棒的引力所束缚，减缓棒的自转速度将会使这些恒星向外迁移，以确保它们的轨道与棒的自转保持同步。

当研究人员深入探究这些恒星的化学成分时，他们发现了这种向外宇宙的迁移到证据。赫克洛斯喷流中的恒星含有更丰富的重元素，这意味着这些恒星诞生于更靠近星系中心的地方。在那里的恒星拥有比在星系的边缘形成的那些星高出十倍的重元素含量。

根据这些观察，研究人员们总结出星系棒的运动实际上已经被减慢了至少24%。这就带来了一个问题：什么物质拥有足以为整个银河系旋棒踩下“刹车”的力量？

“减缓这种自转的配重应当是暗物质，”斯柯恩瑞琪在报告中说，“时至今日，我们唯一能推测暗物质的方法，是绘制星系的重力势能分布图并减去可见物质的贡献。”

天文学家们相信暗物质覆盖了银河系——以及其他星系，并形成了一个向深空扩展的难以捉摸的光环。科学家们估计宇宙中的暗物质总量是可见物质的五倍。

即使它们在宇宙中是如此显而易见的丰富，我们仍未知道暗物质的本质。然而，这项研究中发布的成果，正在帮助我们拼凑出神秘暗物质之谜的全貌。

“我们的研究提供了一种探测暗物质的全新方法——不是测量它的重力势能，而是测量它的惯性质量（它的动态反应）——即是减缓棒的旋转的东西，”斯柯恩瑞琪提到，“我们得出的成果也对替代引力学说提出了一个重要的问题——由于这些假说中缺少星系光环中的暗物质，在它们的预测中，旋棒的速度没有减缓，或者只有明显过少的减缓。”

替代引力学说——诸如调整过的牛顿动力学——没有引入暗物质的概念。相对地，它们尝试通过调整爱因斯坦的学说，来解释为何星系的行为并不符合广义相对论的预测。

这项研究的成果已发表于皇家天文学会的每月通讯上。