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          2. 中法聯合實驗室研究團隊發現反駁矮星系中暗物質存在的證據

            [ 錄入者:zhangms | 時間:2018-06-19 13:38:49 | 作者: | 來源:國家天文臺網站 | 瀏覽:2511次 ]

            過去,天文學屆普遍認為矮星系中恒星的運動速度完全是由其自身的引力驅動的,并由此推斷暗物質存在于矮星系中,而且比率遠遠大于其可見物質。近日,發表在美國天體物理學報(ApJ)的一項研究成果駁斥了這一觀點,并證明矮星系中恒星的運動實際上僅僅只是反映了來自銀河系的引力作用。這項研究在矮星系、暗物質以及銀河系引力場分布等研究領域開辟了全新的思路。 

            從上世紀70年代起, 大部分天文學家確信地認為暗物質是組成宇宙物質的主要部分。美國天文學家薇拉·魯彬(Vera Rubin)第一個意識到:必須有額外的物質存在,才能解釋漩渦星系邊緣的高速旋轉曲線。而這些物質一直都沒有被直接觀測到,天文學家將其稱之為暗物質(或者不可見物質)。隨后,荷蘭天文學家艾伯特·博斯馬(Albert Bosma)進一步證實了這一觀點:真正需要暗物質解釋的部分更傾向于分布在星系盤的邊緣和星系的暈中。到了80年代,美國天文學家馬克·阿倫森(Marc Aaronson)發現了類似的觀測效應。而這次,是在銀河系的矮星系中!

            從那時起,不斷有新的矮星系被發現,并且天文學家都會仔細的測量其中的恒星運動速度。所有的這些研究都發現矮星系中的恒星運動速度是如此之快,根本無法用矮星系自身恒星總質量(或者說可見物質的質量)所產生的引力來解釋。如果假設每一個矮星系自身都是動力學平衡的,天文學家可以通過其恒星運動速度計算出相應的引力質量。這個質量隨后被解釋成了暗物質。在這個假設的理論框架下,來自銀河系的引力是可以完全忽落不計的。

            然而,“銀河系的引力場對矮星系究竟有多大的影響”這個問題并沒有被深入研究過。 

            相對銀河系而言,矮星系的恒星總質量是很小的。最小的那些矮星系只由幾千顆恒星組成。通過分析這些矮星系的動力學性質,中法聯合實驗室的天文學家們發現之前計算的矮星系引力質量和銀河系對其施加的引力高度相關(見圖一),其隨機產生的概率只有百億分之一。并且,這個關系的存在和矮星系的恒星總質量沒有關系。這唯一的結論只能是矮星系中的恒星的運動速度完全是被銀河系的引力場控制的。反觀矮星系中的“暗物質”,即使存在的話,相對來講也是微不足道的。我們如何才能解釋這個觀測結果呢?    

             全新的思路 

            中法聯合實驗室提出并證明,如果矮星系是第一次進入銀河系的引力場,銀河系的潮汐引力可以嚴重地破壞矮星系的穩定性,并直接控制其中恒星的運動速度,正如我們所觀測到的。而這個過程不需要暗物質參與。這個觀點的雛形很早就被一些天文學家意識到了,但是沒有受到太多重視。大部分研究者只是簡單的認為這些矮星系在幾十億年前就存在于銀河系的暈中。此外,這個新的觀點與最近幾年發現的大小麥哲倫云是第一次闖入銀河系的事實完全吻合。這些都支持著銀河系的潮汐引力確實影響了矮星系中恒星的運動。 

            這個全新的觀點完整地解釋了矮星系的引力質量和銀河系對其施加的引力高度相關的事實;并且指出,在知道矮星系到銀河系的距離以及他們的大小情況下, 恒星沿視線方向的運動速度可以準確的計算出來這些矮星系墜入銀河系的物理過程極有可能是這樣的:在他們接近銀河系之前(大約10億年前),這些矮星系中存在著大量的氣體。當他們進入銀河系的范圍后,由于其高速運動,矮星系的氣體受到了銀河系暈中非常高溫的熱氣體的壓力。在矮星系穿越銀河系暈的過程中,熱氣體的壓力“快速地”剝離了矮星系中的氣體,導致剩余的恒星結構徹底瓦解,進入極不穩定的膨脹過程,隨后被銀河系的引力場所控制,最終出現了我們觀測到的現象 (見數值模擬視頻)。 

            矮星系中暗物質存在與否需要重新審視 

            “此研究成果不僅可以解釋銀河系的矮星系,也適用于仙女座大星系中的矮星系,因此我們必須對矮星系中暗物質重新地認識。”,文章的第一作者,法國天文學家弗朗索瓦?哈默(Francois Hammer)指出,“盡管此項研究不能直接證明矮星系中不存在暗物質,但是也沒有理由說明其存在性,因為我們沒有任何證據了。目前,研究團隊正在利用GAIA衛星的最新數據對此項研究成果給出的多項預言進行進一步認證。”   

            此項研究是在中法聯合實驗室的框架下完成的。相關研究成員包括Francois Hammer (巴黎天文臺),楊雁賓(巴黎天文臺),Frédéric Arenou(巴黎天文臺),Carine Babusiaux (IPAG, Université de Rhone-Alpes),王建嶺(中國國家天文臺),Mathieu Puech(巴黎天文臺),Hector Flores (巴黎天文臺)。

              此項研究成果于2018年6月14日發表在美國《天體物理學報》上,https://doi.org/10.3847/1538-43757/aac3da

            圖一:縱軸表示矮星系的“暗物質”與恒星質量比,橫軸表示銀河系引力加速度與矮星系恒星質量產生的引力加速度比。圖中,每一個點代表一個矮星系。實線是對數據點的擬合,顯示了矮星系的暗物質與恒星質量比從10到4000的難以置信的相關性。點線是矮星系第一次穿越銀河系情況下的理論預測的結果。

            圖二:縱軸:觀測到的矮星系中恒星在沿視線方向的速度彌散。橫軸,在矮星系第一次穿越銀河系情況下的理論預測值。很明顯,二者相當吻合。版權: Observatoire de Paris - PSL/ Hammer et al. 2018 

            巴黎天文臺Youtube頻道,數值模擬視頻演示了富氣體的矮星系第一次穿越銀河系時極有可能發生的物理過程。

            Tags:銀河系   矮星系     暗物質   恒星

            責任編輯:zhangms

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