25.3:《银河质量》
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述确定银河系质量的历史尝试
- 解释观测到的银河系旋转曲线，以表明存在分布远远超出太阳轨道的暗物质
当我们描述银河系的各个部分时，我们说现在众所周知，恒星周围环绕着一个更大的隐形物质光环。 让我们看看这个令人惊讶的发现是如何做出的。
开普勒帮助称重银河系
与银河系中的所有其他恒星一样，太阳围绕银河系的中心运行。 我们恒星的轨道几乎是圆形的，位于银河系的圆盘中。 太阳在其轨道上的速度约为每秒200千米，这意味着我们绕过银河系中心大约需要2.25亿年的时间。 我们将太阳革命时期称为银河年。 与人类的时间尺度相比，这是一段很长的时间；在地球的整个生命周期中，只有大约20个银河年过去了。 这意味着，在人类凝视天空的整个过程中，我们只绕银河系走了一小部分。
我们可以利用有关太阳轨道的信息来估计银河系的质量（就像我们可以通过监视太阳周围行星的轨道来 “称重” 太阳一样，参见 Orbits and Gravity）。 假设太阳的轨道是圆形的，银河系大致是球形的（我们知道银河系的形状更像圆盘，但为了简化计算，我们将做出这个假设，这说明了基本方法）。 很久以前，牛顿表明，如果你有物质以球体的形状分布，那么计算出该球体外某个物体的重力很简单：你可以假设重力的作用就像所有物质都集中在球体中心的某个点一样。 因此，为了进行计算，我们可以假设位于太阳位置内的所有质量都集中在银河系的中心，而太阳从大约26,000光年的距离绕该点运行。
这种情况可以直接应用开普勒第三定律（由牛顿修改）。 将数字插入开普勒的公式中，我们可以计算出银河系和太阳的质量之和。 但是，与银河系的质量相比，太阳的质量完全微不足道。 因此，出于所有实际目的，结果（大约是太阳质量的1000亿倍）是银河系的质量。 基于更复杂模型的更复杂的计算得出相似的结果。
我们的估计告诉我们太阳轨道内的体积中含有多少质量。 只有在太阳轨道之外几乎没有任何质量的情况下，这才是对银河系总质量的好估计。 多年来，天文学家一直认为这个假设是合理的。 在距离银河中心约30,000 光年的距离内，明亮的恒星的数量和发光物质（即我们可以探测到电磁辐射的任何材料）的数量都急剧下降。 我们几乎没有怀疑我们的假设有多错误。
一个由几乎看不见的物质组成的星系
在科学中，看似合理的假设在以后可能会被证明是错误的（这就是为什么我们每有机会都会继续进行观测和实验的原因）。 银河系所拥有的不仅仅是眼神（或我们的仪器）。 尽管超过 30,000 光年的发光物质相对较少，但我们现在知道在离银河中心很远的地方存在着许多隐形物质。
我们可以理解天文学家是如何发现这种看不见的物质的，方法是记住根据开普勒的第三定律，与大型物体相距较远的物体要比靠近中心质量的物体移动得慢。 例如，就太阳系而言，外行星在其轨道上的移动速度要比靠近太阳的行星慢。
有一些物体，包括球状星团和附近的一些小型卫星星系，它们位于银河系的发光边界之外。 如果我们银河系的大部分质量集中在发光区域内，那么这些非常遥远的物体应该以比太阳更低的速度绕银河轨道移动。
但是，事实证明，在距离银河系发光边界很远的地方看到的少数物体的移动速度并不比太阳慢。 有一些球状星团和 RR Lyrae 恒星距离银河系中心 30,000 到 150,000 光年之间，它们的轨道速度甚至大于太阳（图\(\PageIndex{1}\)）。
这些更高的速度意味着什么？ 开普勒的第三定律告诉我们，如果物体既不掉入（因为它们移动得太慢），也不想逃脱（因为它们移动得太快），它们必须以多快的速度绕重力源运行。 如果银河系只有开普勒计算出的质量，那么高速的外部物体早就应该逃脱了银河系的控制。 它们没有这样做的事实意味着我们的银河系的重力必须超过发光物质所能提供的重力，事实上，重力要大得多。 这些外部物体的高速告诉我们，这种额外重力的来源必须从中心向外延伸，远远超出太阳的轨道。
如果重力是由恒星或其他释放辐射的东西提供的，那么我们早就应该发现了这种额外的外部物质。 因此，我们不得不得出一个勉强的结论，即这个物质是看不见的，除了它的引力之外，完全没有被发现。
对最偏远的球状星团和绕我们自己的星系运行的小星系的运动的研究表明\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\)，银河系的总质量至少是发光物质的二十倍左右。 此外，暗物质（天文学家称之为隐形物质）延伸到距离银河系中心至少200,000光年的距离。 观察表明，这个暗物质光环几乎是球形的，但不是完全球形的。
显而易见的问题是：暗物质是由什么构成的？ 让我们来看看迄今为止从我们对天文学的研究中摘录的 “嫌疑犯” 名单。 由于这个物质是看不见的，它显然不可能以普通恒星的形式出现。 而且它不能是任何形式的气体（请记住，必须有很多）。 如果是中性氢气，则其21厘米波长的光谱线发射将被检测为无线电波。 如果是电离氢气，则其热度应足以发出可见的辐射。 如果那里有许多氢原子结合成氢分子，它们应该会在银河系以外的物体的紫外光谱中产生暗色特征，但这样的特征尚未被看见。 暗物质也不能由星际尘埃组成，因为在所需的数量下，尘埃会显著遮挡来自遥远星系的光线。
我们还有什么其他可能性？ 暗物质不能是大量的（恒星质量的）黑洞或旧的中子星，因为落到这些物体上的星际物质会产生比观测到的更多的X射线。 另外，回想一下，黑洞和中子星的形成之前会有大量的质量损失，这会将重元素分散到太空中，然后融入后代的恒星中。 如果暗物质由大量这些物体组成，那么在银河系的历史上，它们本来会被炸掉并回收许多较重的元素。 在这种情况下，我们今天在银河系中观测到的年轻恒星所含的重元素将比实际含量大得多。
褐矮星和孤独的类木星行星也被排除在外。 首先，必须有大量的暗物质才能构成这么多的暗物质。 但是我们要更直接地测试一下那里是否真的潜伏着这么多低质量的物体。 正如我们在《黑洞》和《曲线时空》中学到的那样，广义相对论预测，当光经过接近质量浓度时，光所走的路径会发生变化。 事实证明，当两个物体在天空中相距足够近时，离我们较近的质量可以将光线从更远的地方弯曲。 只要正确对齐，较远物体的图像也会变得更加明亮。 通过寻找当我们自己的银河系中的暗物质物体穿过麦哲伦云中恒星发出的光所传播的路径时出现的暂时亮度，天文学家现在已经表明，暗物质不可能由许多质量在百万分之一到十分之一之间的小物体组成太阳的质量。
还剩下什么？ 一种可能性是，暗物质是由地球上尚未发现的奇异亚原子粒子组成的。 现在正在进行非常复杂（且困难）的实验来寻找这样的粒子。 请继续关注，看看是否会出现类似的情况。
我们应该补充一点，暗物质问题绝不局限于银河系。 观察表明，暗物质也必须存在于其他星系中（它们的外部区域 “为了自身利益” 也运行得太快——它们的旋转曲线也很平坦）。 正如我们将看到的那样，暗物质甚至存在于巨大的星系团中，现在众所周知，这些星系的成员在重力的影响下四处移动，远远超过了光靠发光物质所能解释的范围。
停下来想一想我们得出的结论到底有多令人震惊。 也许我们银河系（以及许多其他星系）中多达95％的质量不仅是看不见的，而且我们甚至不知道它是由什么组成的。 我们可以观察到的恒星和原材料可能只是宇宙冰山一角；其背后可能是其他物质，也许是熟悉的，也许是惊人的新物质。 了解这种暗物质的本质是当今天文学面临的巨大挑战之一；你将在《（主要是）暗物质与暗能量的宇宙》中详细了解这一点。
摘要
大约2.25亿年（银河年），太阳完全围绕银河中心旋转。 银河系的质量可以通过测量恒星和星际物质的轨道速度来确定。 银河系的总质量约为\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\)。 该质量中有多达95％由暗物质组成，这些暗物质不发射电磁辐射，只能通过它对可见恒星和星际物质施加的引力才能被探测到。 这种暗物质主要位于银河系的光环中；其本质目前尚不为人所知。
词汇表
- 暗物质
- 非发光物质，只能推断出其存在是因为它对发光物质的引力影响；暗物质的组成尚不清楚