银河系有多重？

编译 费文绪

一个国际天文学家团队通过把哈勃（Hubble）和盖亚（Gaia）太空望远镜的观测数据结合起来，对银河系质量进行了迄今为止最精确的估算。

从恒星、行星和小行星，到黑洞和不可见的暗物质，我们的银河系充满了很多物质。但是，天文学家对银河系所有这些天体物质的总质量，还没有达成共识。

过去，科学家对银河系质量的估算值，小到5 000亿太阳质量，大到2万～3万亿太阳质量（1太阳质量等于我们的太阳的质量）。这中间的巨大不确定性与天文学家对我们银河系质量的不同测量方法有很大的关系，更别提还有非常神秘的变量——暗物质。这种不可见的、目前仍是理论假设的物质形式，在我们的银河系占比高达84%，但是因为暗物质不可见，也不能被直接测量，给天文学家带来了严峻的问题。

缺乏对银河系包含的物质质量的准确认知，天文学家就不能完全了解银河系与相邻星系如何相互作用、银河系的内部结构形态及其随时间的演化等重要的天文学问题。

现在，欧洲南方天文台（位于德国加奇）的劳拉·沃特金斯（Laura Watkins）领导的一个国际天文学家团队提出了解决这一难题的新方法。通过把美国宇航局（NASA）的哈勃太空望远镜和欧洲航天局（ESA）的盖亚太空望远镜的观测数据结合起来，研究人员对银河系质量的测量精度提高到了新水平。研究结果发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上。最新的测量结果将银河系的质量推定为约1.5万亿太阳质量，大致分布在距离银河系中心大约12.9万光年的范围内。

“我们很吃惊，我们的测量值落在之前跨度那么大的估测范围的中间，”沃特金斯告诉美国知名科技网站Gizmodo，“很多最近期的研究成果倾向于支持更低的取值。相比之下，我们的这个测量值处于最近期研究估值的高端。”

正如所指出的，银河系的绝大部分物质是暗物质，占到银河系质量的大约84%，或根据最新研究是5/6；银河系只有4%左右的质量来自于银河系中大约2 000亿颗恒星，它们的总质量大约是600亿太阳质量；剩下的12%质量由非恒星物质构成，比如气体云（clouds of gas）、行星、彗星、小行星。至于银河系中心的超大质量黑洞，经测量其质量大约是400万太阳质量，它确实很重，但是它也只占了银河系总质量很小的比例。

沃特金斯说：“在一定比较范围内，质量最轻的星系大约是10亿太阳质量，而最重的星系大约是30万亿太阳质量，所以银河系在这个范围里站到了壮汉的一边——但是我们以前就知道这一点。”

为了避开暗物质的问题，沃特金斯的研究团队测量了球状星团（globular clusters）的速度和运动——球状星团密布着大量高密度恒星，这些恒星在远离银河系中心的轨道上。球状星团由于其综合质量和位置，成为测量银河系质量的绝佳示踪物或参考点。剑桥大学天文学家温·埃文斯（Wyn Evans）是这项新研究的共同作者，他在欧洲航天局的新闻发布会上解释了这项新的测量技术：

“一个星系的质量越大，它的球状星团在引力作用下运动的速度就越快。以前的大多数测量都找到了球状星团靠近或远离地球的速度，那是从地球看球状星团的视角测出来的速度。而我们的最新测量方法，还测量了球状星团的横向运动速度，从而测出总速度，由此可以计算出银河系的质量。”

盖亚提供了距离地球6.5万光年范围内的34个球状星团的测量值，哈勃望远镜则提供了距离地球13万光年范围内的12个遥远星团的测量值。盖亚提供了22个月的观测数据，而哈勃望远镜则记录了长达10年时间跨度的数据，使得天文学家能够在大时间尺度下合理观察这些天体的运动。

沃特金斯也承认，这项新技术仍有改进的空间。例如，到任务结束，盖亚将可以完成总共大约9～10年的巡天时长，这些数据将有助科学家更精确地测量恒星运动，从而对银河系质量进行更清晰地刻画。此外，沃特金斯的研究团队在这项研究工作中只使用了46个球状星团的数据。沃特金斯也期待在建模方面有所改进。

未来的盖亚观测数据将有助天文学家更深入地研究暗物质晕的形状，这也将有助于天文学模型的进一步完善。