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Jun. 06 2023

銀河系的質量究竟有多大?

  • 藝術家描繪的銀河系(Credit: Andrew Z. Colvin)。

    藝術家描繪的銀河系(Credit: Andrew Z. Colvin)。

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如何量稱一個星系?這是一個天文學上的挑戰,特別是稱之為家的星系。事實證明,有幾種方法可以處理銀河系的質量,最近發表在arXiv預印本網站上的一項研究總結了這些方法,以提供最佳的答案。

一種方法是觀察星系中恆星的運動。大多數銀河系的恆星以圓形軌道圍繞銀河系中心運行,如同行星繞著太陽轉一樣,恆星也繞著星系中心旋轉。由於引力是使恆星保持在軌道上的力量,可用恆星的速度和離星系中心的距離來確定其軌道內的質量。接著可以畫出已知恆星的速度和離中心的距離,得到所謂的旋轉曲線(rotation curve)。在銀河系和其他星系中對這條曲線的測量是第一個證明星系的質量遠遠超過可見恆星所能解釋的證據,從而導致了暗物質的概念。

旋轉曲線法的一個問題是,我們只能測量離星系中心一定距離的恆星。我們現在知道,銀河系的大部分質量並不集中在中心,而是向外延伸成一個銀暈(galactic halo)。我們可以從旋轉曲線估計銀暈的質量,但也可以觀察球狀星團的運動。球狀星團是明亮密集的星團,由於其內的恆星受到引力的束縛,這些星團就像一個單一的物體一樣在星系周圍運動。它們位於銀河系周圍的球體中,因此測量它們的運動有助於測量銀暈的質量。

為了測量銀暈的外圍區域,可以觀察衛星星系的運動,比如麥哲倫星雲。在距離銀河系140萬光年內,大約有60個小星系。由於它們位於銀暈之外,其軌道運動是由銀河系的質量決定。這種方法唯一的缺點是,只有幾十個軌道星系,結果不是特別準確。

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以上這些方法都是通過軌道運動來計算銀河系的質量。然而有一些方法不依賴於軌道運動,例如觀察矮星系的潮汐流(tidal plumes)。有一些球狀星團和矮星系離銀河系的中心區域太近,被潮汐力撕裂了。這些星系的殘餘物形成了恆星流,如人馬座流(Sagittarius stream)。藉由計算這些恆星流的運動,可以估計星系的質量。

另一種方法是觀察離開銀河系的恆星。偶爾一顆恆星會與另一顆恆星擦肩而過,從而獲得足夠的速度逃離我們的星系。由於逃逸速度取決於星系的質量,對逃逸恆星的統計測量給出了星系的質量。

最後,可以查看本地的星系群,包括仙女座星系及其衛星星系。本星系群在引力作用下與更遙遠的星系團隔離,所以觀察本星系群的平衡狀態可以了解它的整體質量和銀河系的質量。

每種方法都有其優劣性,研究小組對各種方法進行了統計平均,得出銀河系質量的最佳值為1兆太陽質量。

 

資料來源:Phys.org

本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。

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