銀河系有多重？

編譯 費文緒

一個國際天文學家團隊通過把哈勃（Hubble）和蓋亞（Gaia）太空望遠鏡的觀測數據結合起來，對銀河系質量進行了迄今為止最精確的估算。

從恒星、行星和小行星，到黑洞和不可見的暗物質，我們的銀河系充滿了很多物質。但是，天文學家對銀河系所有這些天體物質的總質量，還沒有達成共識。

過去，科學家對銀河系質量的估算值，小到5 000億太陽質量，大到2萬～3萬億太陽質量（1太陽質量等于我們的太陽的質量）。這中間的巨大不確定性與天文學家對我們銀河系質量的不同測量方法有很大的關系，更別提還有非常神秘的變量——暗物質。這種不可見的、目前仍是理論假設的物質形式，在我們的銀河系占比高達84%，但是因為暗物質不可見，也不能被直接測量，給天文學家帶來了嚴峻的問題。

缺乏對銀河系包含的物質質量的準確認知，天文學家就不能完全了解銀河系與相鄰星系如何相互作用、銀河系的內部結構形態及其隨時間的演化等重要的天文學問題。

現在，歐洲南方天文臺（位于德國加奇）的勞拉·沃特金斯（Laura Watkins）領導的一個國際天文學家團隊提出了解決這一難題的新方法。通過把美國宇航局（NASA）的哈勃太空望遠鏡和歐洲航天局（ESA）的蓋亞太空望遠鏡的觀測數據結合起來，研究人員對銀河系質量的測量精度提高到了新水平。研究結果發表在《天體物理學雜志》（The Astrophysical Journal）上。最新的測量結果將銀河系的質量推定為約1.5萬億太陽質量，大致分布在距離銀河系中心大約12.9萬光年的范圍內。

“我們很吃驚，我們的測量值落在之前跨度那么大的估測范圍的中間，”沃特金斯告訴美國知名科技網站Gizmodo，“很多最近期的研究成果傾向于支持更低的取值。相比之下，我們的這個測量值處于最近期研究估值的高端。”

正如所指出的，銀河系的絕大部分物質是暗物質，占到銀河系質量的大約84%，或根據最新研究是5/6；銀河系只有4%左右的質量來自于銀河系中大約2 000億顆恒星，它們的總質量大約是600億太陽質量；剩下的12%質量由非恒星物質構成，比如氣體云（clouds of gas）、行星、彗星、小行星。至于銀河系中心的超大質量黑洞，經測量其質量大約是400萬太陽質量，它確實很重，但是它也只占了銀河系總質量很小的比例。

沃特金斯說：“在一定比較范圍內，質量最輕的星系大約是10億太陽質量，而最重的星系大約是30萬億太陽質量，所以銀河系在這個范圍里站到了壯漢的一邊——但是我們以前就知道這一點。”

為了避開暗物質的問題，沃特金斯的研究團隊測量了球狀星團（globular clusters）的速度和運動——球狀星團密布著大量高密度恒星，這些恒星在遠離銀河系中心的軌道上。球狀星團由于其綜合質量和位置，成為測量銀河系質量的絕佳示蹤物或參考點。劍橋大學天文學家溫·埃文斯（Wyn Evans）是這項新研究的共同作者，他在歐洲航天局的新聞發布會上解釋了這項新的測量技術：

“一個星系的質量越大，它的球狀星團在引力作用下運動的速度就越快。以前的大多數測量都找到了球狀星團靠近或遠離地球的速度，那是從地球看球狀星團的視角測出來的速度。而我們的最新測量方法，還測量了球狀星團的橫向運動速度，從而測出總速度，由此可以計算出銀河系的質量。”

蓋亞提供了距離地球6.5萬光年范圍內的34個球狀星團的測量值，哈勃望遠鏡則提供了距離地球13萬光年范圍內的12個遙遠星團的測量值。蓋亞提供了22個月的觀測數據，而哈勃望遠鏡則記錄了長達10年時間跨度的數據，使得天文學家能夠在大時間尺度下合理觀察這些天體的運動。

沃特金斯也承認，這項新技術仍有改進的空間。例如，到任務結束，蓋亞將可以完成總共大約9～10年的巡天時長，這些數據將有助科學家更精確地測量恒星運動，從而對銀河系質量進行更清晰地刻畫。此外，沃特金斯的研究團隊在這項研究工作中只使用了46個球狀星團的數據。沃特金斯也期待在建模方面有所改進。

未來的蓋亞觀測數據將有助天文學家更深入地研究暗物質暈的形狀，這也將有助于天文學模型的進一步完善。