利用熱氣體暈 科學家為整個銀河系稱重

我們所居住的銀河系有着許多謎團。此前觀測表明，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%。這個比例大大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之一，是精確測量銀河系的總質量。

12月17日，據媒體報道，由中國科學院上海天文台研究員郭福來領導的研究團隊，提出了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介質（指星系盤之外、星系暈中位力半徑以內的介質）中的熱氣體温度測量了銀河系總質量。相關研究結果發表在《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、星團與衞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。但是，不同的觀測方法給出的銀河系總質量誤差仍然非常大，可以小到五千億倍太陽質量以下，也可以大到兩萬億倍太陽質量以上。

郭福來團隊提出了一種全新的測量方法，他們把銀河系暈中的熱氣體作為測量銀河系質量的探針。自1950年以來，天文學家發現了許多不同的觀測證據，表明銀河系周圍存在着大量彌散的百萬度高温熱氣體，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很大一部分。

近幾年，該團隊詳細研究了銀河系熱氣體暈的空間温度、密度分佈與觀測特徵，以及與銀河系中各種能量爆發過程的相互作用。

根據該研究，銀河系熱氣體暈趨於穩定狀態後的温度分佈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丰度對其幾乎沒有影響。銀河系質量越高，熱氣體暈的温度就越高。

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。在這一新方法中，熱氣體温度取代了無碰撞天體的速度，成為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温度，該方法測量到的銀河系總質量為太陽質量的1.2—3萬億倍。

新方法測量的銀河系質量在太陽質量的一萬億倍以上，這個值具有深遠的重要意義。

首先，它暗示着銀河系的大型衞星星系，例如大小麥哲倫星雲和獅子座一號矮球狀星系，都被銀河系束縛着。因為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，這意味着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，或者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。

最後，它暗示着宇宙學中所謂的“大而不能失敗”問題仍然嚴峻，可能挑戰現代宇宙學標準模型中的冷暗物質理論。

“大而不能失敗”問題，指在宇宙學模型中，銀河系中應該存在一些比目前觀測到的衞星星系質量更大、且內區物質密度更高的衞星星系。理論上，應該沒有什麼機制會導致我們看不到這些質量比較大的衞星星系，但目前人類還未觀測到過大質量的衞星星系，理論預期與觀測實際相矛盾，產生了宇宙學中的“大而不能失敗”問題。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。

“此次研究最重要的貢獻，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。