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星系“小尾巴”或成寻找暗物质线索

2021-04-27 11:15 来源:科技日报

  ◎实习记者 何 亮 

  4月21日,美国国家航天航空局(NASA)官网发布消息称,天文学家发布了新的银河系外围的全天空地图,图上有一处特别明显的亮点,其是由一个即将与银河系相撞的矮星系引起的恒星尾流,这也引起了天文爱好者们的热烈讨论。中国科学院紫金山天文台天体物理学博士常江接受科技日报记者采访时表示,这是在上世纪40年代提出动力学摩擦理论后,人类第一次直接观测到产生动力学摩擦的高密度尾流。它的发现将完善星系动力学的理论框架,对星系宇宙学理论具有重要的推动作用。 

  动力学摩擦效应此前一直没有直接观测证据 

  动力学摩擦效应是星系宇宙学中一个重要的物理机制,但一直没有直接的观测证据。 

  常江表示,一般来说,天体的运动只需要考虑引力,不需要考虑由于电磁相互作用引起的摩擦力。比如在地球围绕太阳公转50亿年的过程中几乎没有受到摩擦力的影响。 

  而当一个大质量物体静止在背景密度场中时,受到各个方向引力的合力为零,运动性质不会发生改变。但如果它相对背景密度场有运动时,就会导致其万有引力吸引周围的物质,并在其身后形成一道高密度尾流。这个尾流会带来一个向后的静引力,拖拽该物体减速,产生和摩擦力类似的结果,因而这个效应被称作“动力学摩擦”。 

  设想大河上有一条小船,船绳拴在岸上。如果把系绳放开,船就会被河水冲走,这是由于河水和船之间有摩擦力(这里不考虑粘滞)。常江向科技日报记者举例解释,如果船与河水的运动状态不同,船就会因为河水的摩擦力而被带着与河水一起运动;如果河水没有摩擦力,船受到来自各个方向河水的引力合力恰为零,这时即便放开系绳,船也会因为牛顿第一定律,留在原地不动。 

  但是,即便在河水没有摩擦力只有引力的环境下,水经过船后因受到船的引力,流动轨迹也会弯折——从船左边经过的水会向右拐,从船右边经过的水会往左拐,船尾便产生了一个高密度的尾流,使得船后方的物质比前方的物质更多,从而对船产生一个向后的净引力,这就会使船向后运动。“虽然河水没有摩擦力,但由于引力聚集,仍然会产生一个类似于摩擦力的效应。”常江强调。 

  与行船相同,星系在一个背景物质场中运动时,会产生动力学摩擦,导致其速度越来越慢。空间尺度越大,这个效应越明显。太阳系内可以不考虑,但在星系尺度就非常明显了。 

  这次是人类第一次观测到了这个高密度尾流,就是全天空地图众银河系下方的蓝的发白的团块。“这说明在那里的恒星数目比周围的高,很可能就是银盘下方右侧两个星系(大小麦哲伦星云)在银河系中运动时产生的恒星高密度尾流。”常江说。 

  研究大麦哲伦星云与暗物质的新机遇 

  新地图还揭示了这个高密度尾流和一个叫作大麦哲伦星云(以下简称大麦云)的矮星系之间的联系——大麦云像一艘穿过水的船一样驶过银晕(科学家们认为,银晕是由被银河系扔出来的高速星、星团、弥散矮星系等组成的一个“大杂烩”,包括没有明显结构的恒星组成的低密度恒星球和各种星流、恒星高密度区),它的引力使银晕中的恒星聚集,并在它的后面产生了尾流。 

  常江告诉科技日报记者,大麦云是银河系内最大的卫星星系,总质量大致为银河系的十分之一,但它很可能是刚“掉”进来的,因而受潮汐影响时间太短,潮汐结构发育不充分,所以我们难以对其“掉落”过程进行研究。 

  这次发现相当于提供了一个新的结构或新的视角来研究大麦云的掉落过程。常江表示,因为大麦云实在太大了,它可以作为一个很好的“探针”来研究银河系和周边的结构,甚至限制宇宙学和暗物质理论。有天文学家认为,银河系被包裹在一个巨大的暗物质晕中心,恒星和气体加起来只占这个暗物质晕质量的百分之三。 

  “显然,根据动力学摩擦理论,这个高密度尾流不光由高密度恒星组成,同时应该在相同位置有个质量更大的暗物质尾流,两者合力为大麦云减速。”常江大胆设想,虽然暗物质看不到,但通过对恒星结构和大麦云动力学研究,可以推测这个尾迹质量和范围有多大,从而进一步推测恒星和暗物质的比例、恒星晕结构,以及银河系暗物质晕的结构、分布、质量等,并对暗物质的性质进行判断,看看是冷暗物质还是温暗物质,或者是其他某种特殊粒子。 

  望远镜助力人类对银河系和宇宙的认识 

  “以前绘制的全天地图,要么看不到外晕;要么精度不高,恒星数目不够多;要么由多个望远镜的数据组合而成,观测准确性不确定。”常江表示,此次天文学家对微弱的恒星尾流实现成功观测,得益于观测能力的提高,更缘于空间望远镜可实现全天空观测的优势。 

  而且,由于地球位于银盘上,此处的恒星、气体、尘埃等天体的密度都非常高,对银盘的光学观测一直是个大问题。除银盘结构以外,观测能力也限制了对银盘边缘、银晕、银河系内卫星星系和星流的观测。常江表示:“太远太暗的区域很难看得到它们,即便看到了获得的信息也极为有限。这个一方面需要提升望远镜的技术,另一方面需要多波段观测,比如通过X射线看高温气体和高能过程等,通过射电望远镜观测银河系内的气体等,紫金山天文台目前就正在通过射电观测绘制银河系内气体分布的‘银河画卷’。”

(责任编辑:支艳蓉)

星系“小尾巴”或成寻找暗物质线索

2021-04-27 11:15 来源:科技日报
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