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银河系可能没有那么“重”
撰文 | Adam Mann
翻译 | 杨安琪
编辑 | 王怡博
银河系出现了一些奇怪现象。最近的观测发现，我们银河系外围的恒星行为反常。它们的运动速度比其他星系中类似处境的恒星要慢得多。对于银河系恒星的缓慢行动，一个可能的解释是，我们的银河系极其缺乏暗物质，这种不可见的物质被认为是宇宙结构的骨架。另一个原因是，我们关于暗物质的核心概念——比如宇宙中存在多少暗物质——在某种程度上存在严重缺陷。
这个令人困惑的问题源于欧洲空间局的“盖亚”探测器，该探测器记录了银河系中以前从未有过的近20亿颗恒星的速度和位置信息。去年，“盖亚”团队发布了空间望远镜迄今为止最精确的测量结果，激发了天文学家们的兴趣，他们开始重新评估银河系范围内恒星的行为。到目前为止，几个独立的研究团队已经报告了银河系外围(也就是我们银河系呈亮丽螺旋状的边缘区域)恒星轨道运动异常缓慢的现象。
恒星的速度提供了一种衡量银河系重量的方法；每颗恒星感受到的引力取决于银河系的总质量。一项发表在《天文学与天体物理学》(Astronomy & Astrophysics）杂志上的一项基于“盖亚”的研究表明，我们银河系的气体、尘埃、恒星和暗物质的总质量约为太阳的2000亿倍——尽管这比早期其它几项研究发现的还轻5倍，但是对你我来说都已经非常重了。因为银河系的可见物质并没有消失，对此一种简单但特别引人深思的解释是：漂浮在周围的暗物质比我们之前认为的要少得多。
给银河系称重
不过话说回来，给银河系称重是一件出了名的棘手事情，所以“盖亚”的数据或新的分析中可能有潜在的错误，造成了银河系异常的错觉。但事实上，多个团队都观察到了相同的结果，这增强了研究结果的可信性。如果这是真的，这可能会迫使人们重新思考基础物理学，并促使人们重新审视宇宙中所有其他星系。
凯斯西储大学的天文学家斯泰西·麦高（Stacy McGaugh，未参与最近任何研究）说：“如果真能弄清楚这一点，那结果将是具有革命性的。”
在20世纪70年代，天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）和她的同事开始测量其他星系的恒星运动。围绕星系外围的恒星环绕速度预计会比靠近星系的恒星更慢，就像海王星绕太阳一圈需要165年，而水星绕太阳一圈只需要88天一样。然而，奇怪的是，鲁宾和她的同事们发现，外围恒星的运动速度与中心恒星的运动速度大致相同，这表明每个星系内部和周围都有一个巨大的隐藏物质库，在引力作用下牵引着远处的恒星以提高它们的速度。这种看不见的物质当时被称为暗物质，据推测它们在星系周围形成了巨大的光晕，是大星系中可见物质的10倍，是矮星系中可见物质的100倍。
我们处于银河系中，所以测量银河系中所有物体的运动方式并不是一件容易的事。因此，天文学家倾向于假设银河系中的恒星与其他星系中的恒星行为相似。太阳距离银河系中心大约26 000光年，以每小时80万千米的速度围绕着银河系中心运动，过去的观测表明，银河系内外的其他恒星的速度应该与太阳的速度大致一致。
2013年发射的“盖亚”探测器对银河系中恒星的三维位置和运动进行了异常精确的测量，为这个简单的想法提供了迄今为止最好的测试。但这个测试的过程进展缓慢，因为“盖亚”计算精度的提高依赖于观察恒星实体时间的增加。意大利恩里科·费米研究中心（the Enrico Fermi Study and Research Center）的理论物理学家弗朗西斯科·西洛斯·拉比尼（Francesco Sylos Labini）和他的同事几年前利用“盖亚”观测到了银河系恒星速度有微弱的下降迹象。这些迹象在2022年“盖亚”发布的数据中变得更加明显，结果显示恒星运动的数据精度是2018年的两倍。精度的提高使天文学家能够更加精确地绘制恒星的运动路径，并能观测到更远的距离。
仅在今年，就有四篇论文揭示了距离银河系中心10万光年的恒星速度急剧下降的现象。最近发表于《天文学与天体物理学》的研究将这种下降称为“开普勒现象”，这些行星的运动最早是由17世纪的德国天文学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）准确描述的，意味着它类似于我们太阳系中行星的运动。
这样的发现完全出乎所有人的意料。除了一些微小的偏差，其他星系的恒星轨道图始终显示，从中心到边缘的恒星都以相似的速度旋转，就好像被暗物质的引力所控制。巴黎天文台的弗朗索瓦·哈默（François Hammer，这项研究的共同作者之一）说：“但就目前而言——这非常有趣——我们没有发现任何其他星系表现出开普勒现象。”
从广义上讲，认为银河系在所有星系中是独一无二的观点与宇宙学的基本原则相矛盾，该原则认为宇宙中任何地方都没有什么特别之处。这一发现带来了更具体的问题，因为外推得出的银河系太阳质量较低，估计有2000亿个太阳。天文学家对银河系中可见物质的测量结果非常有信心，这些物质的质量大约是600亿个太阳的质量。如果这两个数字都是正确的，这意味着暗物质与普通物质的比例仅为2.3：1——远低于类似大小星系中10:1的比例。
还需更多数据
一些研究人员认为，虽然银河系缩小可能是真实的，但只有部分研究得出了这样的结论，因此它并不能代表整个银河系。在银河中心更远处，以及目前超出“盖亚”高精度观测范围的恒星，很可能显示出相应的速度上升，以抵消反常的下降。麻省理工学院的天体物理学家莉娜·内奇布（Lina Necib）说：“如果它继续保持这样的规律，我会感到非常惊讶，因为那时会有很多东西同时被撕裂。”她是另一篇关于恒星速度下降论文的共同作者，这篇论文发表在预印本网站arXiv.org上。
她的观点得到了多方面证据的支持。大麦哲伦星系（Large Magellanic Cloud）距离银河系中心约16万光年，是一个卫星星系，以超过每小时100万千米的速度绕着我们的星系运行——这一数值与标准暗物质模型一致。另一个证据来自恒星流——小星系和星团的残余物离银河系太近，被银河系的引力撕裂了。这些恒星流延伸到很远的地方，并提供了对银河系质量的估算，这些估算得出的结果与其它更精密的方法得出的结果一致。
也有可能这些不同的团队在某种程度上无意地误解了他们的数据。在宾夕法尼亚大学，天文学家罗宾·桑德森（Robyn Sanderson）在电脑上制作了模拟的银河系，然后想象如果将虚拟的“盖亚”探测器放入其中会看到什么样的图片。她说，任何这样的图都需要假设哪些因素可能会影响结果，比如星系暗物质分布的整体形状。她说：“我的团队研究了那些过于简单的假设——每个人都知道这些假设过于简单——是如何导致一个奇怪的结果的，即模型很好地描述了数据，但不一定能反映实际系统的本质。”
桑德森没有参与任何一项研究，他对从这些研究中得出确切的结论持怀疑态度。她指出，虽然“盖亚”提供了无与伦比的三维信息，但其恒星速度测量的不确定性在星系中随着距离的增加会来越明显。
未来来自鲁宾天文台等设施的数据有望能够在银河系外围找到恒星，从而帮助解决这场争论。“盖亚”数据的下一次发布预计在2025年底，这也可以提供更准确的信息。哈默渴望更仔细地研究其他星系，看看它们的恒星速度是否也会出现类似银河系的下降现象。
对于麦高来说，这个事件代表了任何成熟研究团体都可能出现的正常、健康活动的一部分。“这需要一段时间来解决，但我认为我们会在这个过程中学到东西。”内奇布同意这一观点，并表示她认为目前的争论与其说令人不安，不如说是令人兴奋的。“是的，这很奇怪，”她说，“老实说，这是一门很酷的科学。我喜欢奇怪的事情。”
原文：
The Milky Way May Be Missing a Trillion Suns’ Worth of Mass
Slow-moving stars at the Milky Way’s outskirts suggest our galaxy may be far lighter than previously believed, with profound implications for dark matter
BY ADAM MANN
Artist impression of ESA's Gaia satellite observing the Milky Way. The background image of the sky is compiled from data from more than 1.8 billion stars. It shows the total brightness and colour of stars observed by Gaia released as part of Gaia’s Early Data Release 3 (Gaia EDR3) in December 2020. Credit: Spacecraft: ESA/ATG medialab; Milky Way: ESA/Gaia/DPAC; (CC BY-SA 3.0 IGO); Acknowledgement: A. Moitinho
Astronomy
There’s something strange going on with the Milky Way. Recent measurements suggest that stars at the outskirts of our galaxy are misbehaving. They’re traveling far slower than similarly situated stars in other galaxies. One possible explanation for the Milky Way’s stellar slowpokes is that our galaxy is extraordinarily deficient in dark matter, the invisible substance thought to serve as gravitational scaffolding for cosmic structures. Another is that our core conceptions about dark matter—such as how much of it exists in the universe—are somehow deeply flawed.
This head-scratcher stems from the European Space Agency’s Gaia satellite, which provides unparalleled information on the speeds and positions of nearly two billion stars in the Milky Way. Last year the Gaia team released the space-based telescope’s most precise measurements yet, spurring astronomers to refresh their galaxy-spanning assessments of stellar behavior. Several independent groups have now reported the oddly sluggish orbits of stars along the Milky Way’s outer rim, the peripheral edge of our galaxy’s luminous whorl.
Stellar speeds offer a way to weigh a galaxy; the gravitational force each particular star feels depends on the galaxy’s total mass. A Gaia-derived study released on September 27 in the journal Astronomy & Astrophysics pegged the combined mass of our galaxy’s gas, dust, stars and dark matter at some 200 billion times that of our sun—hefty for you and me but on the order of five times less than that found in several other earlier assessments. Because the Milky Way’s visible material hasn’t disappeared, one easy—and especially thought-provoking—way to explain this result is that far less dark matter is floating around than previously believed.
Then again, weighing a galaxy is a notoriously tricky business, so it’s possible that errors lurk in Gaia’s data or the new analyses that create the illusion of the Milky Way as anomalously trim. But the fact that multiple teams have seen the same result gives more substance to the findings. If true, they could force a rethink of fundamental physics and prompt a reexamination of all other galaxies in the universe.
“Let me put it this way,” says Stacy McGaugh, an astronomer at Case Western Reserve University, who wasn’t involved in any of the recent studies. “If it worked out that way, it would be revolutionary.”
In the 1970s astronomer Vera Rubin and her colleagues began measuring stellar motions in other galaxies. Stars around a galaxy’s periphery were expected to orbit at a more leisurely pace than those closer in, much like how Neptune meanders around our sun every 165 years while Mercury zips about in 88 days. Yet, strangely, Rubin and her associates found that outlying stars were traveling at roughly the same rate as their more central siblings, suggesting that an enormous reservoir of hidden material in and around each galaxy was gravitationally tugging on the far-out stars to boost their speeds. This invisible stuff, already then called dark matter, was surmised to form immense halos surrounding galaxies, outweighing the visible material by a factor of 10 for large galaxies and as much as 100-fold for dwarf galaxies.
Measuring how everything in our galaxy moves while stuck inside of it is not the easiest task. So astronomers have tended to assume that stars in the Milky Way behave much like those seen in other galaxies. The sun, located roughly 26,000 light-years from the galactic center, orbits around it at about 500,000 miles per hour (800,000 kilometers per hour), and most observations of other stars within and beyond the Milky Way have supported the idea that stellar speeds farther out should be broadly consistent with that of our home star.
The Gaia satellite, which was launched in 2013, offers the best-yet test of this simple notion via the spacecraft’s extraordinarily precise measurements of the three-dimensional positions and motions of stars in the Milky Way. But this testing has been a gradual process because the precision of Gaia’s reckoning improves in lockstep with how long it observes its stellar sample. Using Gaia, theoretical physicist Francesco Sylos Labini of the Enrico Fermi Study and Research Center in Italy and his associates saw subtle hints of a decline in the Milky Way’s stellar speeds a few years ago. Those hints became much more obvious in Gaia’s most recent data release, from 2022, which pegs stellar motions with twice the precision of a previous offering from 2018. Such improvements allow astronomers to plot the paths of stars with greater accuracy and out to much farther distances than before.