银河系内潜伏着多少暗物质？

来源：中国科学杂志社

晴朗的夏季夜晚，我们能够看到跨越天空、由数不清的恒星组成的星带，然而这些恒星实际上只是我们银河系的一部分。目前科学家认为星系由看不见的“暗物质晕” 包裹，银河系外围的暗物质晕可延伸至星系盘尺度的十几倍开外。

银河系由暗物质晕包裹

除去气体，这团暗物质晕中存在着诸多恒星、星团及卫星星系等天体。从广义上来说，银河系的边界应该被定义为能够包含所有这些天体的一个合适的距离，银河系的总质量应考虑该距离内所有物质的总和。但暗物质本身并不发光，即不存在任何电磁波段的辐射，人们又该通过何种手段来探索银河系内潜伏的暗物质呢？

《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版2020年第63卷第10期刊登了关于如何通过暗物质对其他明亮天体运动的影响来间接测量银河系总质量的综述文章“The mass of our Milky Way”[1]，该文章由上海交通大学天文系的王文婷副研究员及韩家信特别研究员担任通讯作者，李昭洲博士等人共同撰写。

哪些方法可间接探索银河系内潜伏的暗物质？

就像利用地球的公转速度可以大致计算出太阳的质量一样，在银河系的星系盘上，恒星和气体绕银河系中心做规律的旋转，人们可以通过观测这些气体和恒星的旋转速度来计算对应距离内潜伏的暗物质质量；而在更远的距离处，恒星、卫星星系或球状星团虽并不做规则的旋转运动，但人们可以通过对他们的位置及速度建立模型并进行统计分析，得到理论的旋转速度[2-4]；有趣的是，银河中还有一些超高速运动的恒星（部分这类恒星被认为来自于银河中央的黑洞），他们可用来有效估计银河系的逃逸速度和总质量[5]；此外，卫星星系及球状星团受到潮汐力的影响，其自身的恒星会被剥离形成带状的星流，延展的星流可以跨越巨大的空间尺度（如下图），因此携带着不同距离处有关暗物质分布的宝贵信息，可用来限制暗物质晕的质量、整体形状，甚至探索暗物质潜伏在小尺度上的块状或带状子结构[6]。

银河系周边的带状星流（图片来源：NASA）

走出银河系，我们有一个邻居，仙女座大星云(M31)。实际上，银河系及M31的相对运动不仅与两者的质量决定的万有引力有关，也可能受到加速宇宙膨胀的暗能量影响。这是因为引力造成物质互相吸引，而暗能量在宇宙中的作用是使得天体相互远离。在天体间的距离较近的时候，这种宇宙膨胀效应相对物质间的引力作用来说显得较为次要，这也是为什么银河系及M31目前正在互相靠近，并将在遥远的未来发生异常激烈的星系级别的碰撞。聪明的科学家通过对两者的运动进行建模，同样能够分别测量他们的总质量[7,8]。

观测和理论的挑战——斗转星移、孜孜不倦

虽然困难和挑战都很大，数十年来科学家们依旧不断地坚持发展大型望远镜设备和观测技术，至今已经积累了银河系的海量观测数据。其中，中国的郭守敬望远镜（LAMOST）也做出了重要贡献[10-13]。随着欧洲空间局的大地母亲（Gaia）卫星的升空及持续观测，已经有超十亿颗恒星[14]得到了高精度的位置及速度测量。

同时，伴随着这些不断改进的观测技术和数据精度，人们对理论模型的要求也越来越高，为此科学家们也是孜孜不倦地针对模型的各个具体方面做出一步步的改进，并借助现代大型计算机进行高分辨率的宇宙数值模拟，用以检验理论模型[15]。

我们的银河系由暗物质主导