翻譯：毛明遠(yuǎn)

校對(duì)：趙琨、楊伯順、王克義

封面圖片：壯麗的銀河

Credit: ESO/S. GUISARD

寬廣的銀河系，容納了千億顆恒星，太陽(yáng)——我們的生命之源——只是其中之一；銀河系所處的本星系群，擁有60余個(gè)星系；從下圖不難看出，銀河系與仙女座星系當(dāng)屬最大的兩個(gè)。

仙女座星系尺寸更大顯而易見(jiàn)，但說(shuō)到質(zhì)量，誰(shuí)能稱(chēng)霸本星系群，至今還是難解的謎團(tuán)。

本星系群由銀河系和仙女座星系“主導(dǎo)”

Credit: ANDREW Z. COLVIN

測(cè)量一個(gè)星系的質(zhì)量談何容易，如果是我們所處的銀河系，則更難上加難。假如你想知道你所處房間中每個(gè)人眼睛的顏色，那你就要走到每個(gè)人的身邊觀察并記錄，或是借助望遠(yuǎn)鏡觀察，但你卻無(wú)法明確自己眼睛的顏色（虹膜的顏色）。

看看人們的面孔(譯者猜測(cè)這是2017年北美世紀(jì)日全食時(shí)拍攝的)

Credit: PUBLIC DOMAIN / PXHERE

想要知道自己眼睛的顏色：1、可以詢(xún)問(wèn)他人；2、通過(guò)反射光，比如照照鏡子、自拍。

然而對(duì)于銀河系，我們永遠(yuǎn)無(wú)法完成這兩個(gè)“簡(jiǎn)單”的動(dòng)作。

奧大大

Credit: PETE SOUZA / WHITE HOUSE

如何觀測(cè)和估算銀河系的質(zhì)量？科學(xué)家們一直在做各種嘗試，望遠(yuǎn)鏡越建越大，選址海拔越來(lái)越高，甚至我們把望遠(yuǎn)鏡送到太空(但也就在地球旁邊)，巡天觀測(cè)讓我們獲取到大量銀河系恒星的信息，但這些信息依然非常有限。

來(lái)自蓋亞任務(wù)的銀河系全景圖，中間橫跨圖片的是銀河系，右下方是大小麥哲倫云

Credit: ESA/GAIA

截至目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，銀河系擁有約2000-4000億顆恒星，太陽(yáng)系距離中心約2.5萬(wàn)光年。

• 銀河系直徑10萬(wàn)光年，而中心厚度約5000-6000光年，邊緣厚度2000-3000光年，可見(jiàn)物質(zhì)(恒星、塵埃和氣體)之間會(huì)相互遮擋。

• 銀河系的旋臂到底是什么狀況未有定論。

• 遠(yuǎn)端的超新星和超新星遺跡很難觀測(cè)。

• 物質(zhì)圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)，但準(zhǔn)確測(cè)算這個(gè)運(yùn)動(dòng)并不容易。

四種不同波段的銀河系中心區(qū)域影像，從上至下分別是：亞毫米波、遠(yuǎn)紅外、近紅外和可見(jiàn)光

Credit: ESO/ATLASGAL CONSORTIUM/NASA/GLIMPSE CONSORTIUM/VVV SURVEY/ESA/PLANCK/D. MINNITI/S. GUISARD ACKNOWLEDGEMENT: IGNACIO TOLEDO, MARTIN KORNMESSER

上圖可以看出波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光穿透能力較強(qiáng)。目前，歐空局的蓋亞任務(wù)對(duì)銀河系的天體測(cè)量意義重大，它讓我們了解到很多銀河系的細(xì)節(jié)。

再來(lái)看看仙女座星系，它距離我們200萬(wàn)光年，是天空中角直徑最大的星系?？茖W(xué)家對(duì)仙女座星系進(jìn)行了大量觀測(cè)，其中最著名的要數(shù)全波段哈勃仙女座星系庫(kù)PHAT(the Panchromatic Hubble Andromeda Treasury)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，幾乎覆蓋了一半范圍的恒星和塵埃。

PHAT影像

Credit: NASA, ESA, J. DALCANTON, B.F. WILLIAMS, L.C. JOHNSON (UNIVERSITY OF WASHINGTON), THE PHAT TEAM, AND R. GENDLER

經(jīng)過(guò)對(duì)比現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)，仙女座星系的數(shù)據(jù)在以下幾個(gè)方面占優(yōu)勢(shì)：

• 從恒星數(shù)量上，斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡(紅外)觀測(cè)結(jié)果表明，仙女座星系約有1萬(wàn)億顆恒星，而銀河系的恒星數(shù)量不確定性很高，數(shù)量范圍是2000-4000億顆恒星。

• 仙女座星系的直徑還是比較容易測(cè)量的，約22萬(wàn)光年，而銀河系僅有10萬(wàn)光年。

• 仙女座星系的恒星更古老，它的恒星形成速率大約僅有銀河系的20-30%。

仙女座星系中6個(gè)壯觀的星團(tuán)(其中第五張明亮的橙色恒星是前景銀河系的恒星)。這些來(lái)自PHAT的觀測(cè)結(jié)果有助于我們測(cè)算仙女座星系的恒星形成速率和它們的歷史

Credit: NASA, ESA, J. DALCANTON, B.F. WILLIAMS, L.C. JOHNSON (UNIVERSITY OF WASHINGTON), AND THE PHAT TEAM

這樣看來(lái)，仙女座星系的質(zhì)量應(yīng)該比銀河系大很多。但是我們忽略了一些因素：測(cè)算星系的質(zhì)量通常是觀測(cè)圍繞星系中心的星系暈中的星團(tuán)、恒星。對(duì)于仙女座星系來(lái)說(shuō)，主要的物質(zhì)分布在中心向外的百萬(wàn)光年范圍內(nèi)，不僅包括上述星團(tuán)、恒星，還有塵埃、氣體，以及上文未提及的暗物質(zhì)。因此，仙女座星系的質(zhì)量仍存在很大的不確定性，約是太陽(yáng)質(zhì)量的8000億至1.5萬(wàn)億倍。

該圖片展示了科學(xué)家估算仙女座星系質(zhì)量的一種手段。仙女座星系中的氣體會(huì)吸收部分來(lái)自遠(yuǎn)方類(lèi)星體的光線，在特定波段出現(xiàn)吸收譜

Credit: NASA, ESA, AND A. FEILD (STSCI)

科學(xué)家借助蓋亞任務(wù)和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，測(cè)量了銀河系中46個(gè)球狀星團(tuán)的徑向運(yùn)動(dòng)(視線方向)和自行運(yùn)動(dòng)(垂直于視線方向)，最遠(yuǎn)的距離我們13萬(wàn)光年，這進(jìn)一步提升了計(jì)算銀河系質(zhì)量的準(zhǔn)確性。

結(jié)論

通過(guò)蓋亞任務(wù)的數(shù)據(jù)測(cè)算出銀河系的質(zhì)量是太陽(yáng)的1.3萬(wàn)億倍；結(jié)合蓋亞任務(wù)和哈勃數(shù)據(jù)(哈勃空間望遠(yuǎn)鏡可以獲取更遠(yuǎn)的球狀星團(tuán)數(shù)據(jù))測(cè)算出銀河系的質(zhì)量是太陽(yáng)的1.54萬(wàn)億倍，誤差小于太陽(yáng)質(zhì)量的1000億倍。

圍繞銀河系中心的球狀星團(tuán)分布，距離銀河系中心越近的球狀星團(tuán)擁有更高的金屬豐度

Credit: WILLIAM E. HARRIS / MCMASTER U., AND LARRY MCNISH / RASC CALGARY

由此可知，仙女座星系測(cè)算質(zhì)量的最大值與銀河系相仿，最小值則只有銀河系的一半。

發(fā)表于去年的一項(xiàng)研究成果還曾提出，銀河系比以往的估算要大的多，直徑高達(dá)17萬(wàn)光年。

北斗外側(cè)的M81和M82是兩個(gè)星系，很像我們銀河系與仙女座星系。

Credit: MARKUS SCHOPFER / C.C.-BY-2.5

在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，人們都一直認(rèn)為仙女座星系比銀河系更大、更重，但不斷提高的觀測(cè)技術(shù)在持續(xù)的修正這些觀點(diǎn)。

星系中的恒星流，引力在過(guò)去和現(xiàn)在所起的作用，星系的初始狀態(tài)及演化歷史，統(tǒng)統(tǒng)會(huì)影響星系質(zhì)量的測(cè)量；除了已經(jīng)可測(cè)的恒星和星團(tuán)的速度，我們還需要測(cè)量其加速度，受限于目前的技術(shù)，后者難度巨大。銀河系和仙女座星系的質(zhì)量之爭(zhēng)有待進(jìn)一步研究解決。

原文鏈接

https://www./sites/startswithabang/2019/03/14/could-the-milky-way-be-more-massive-than-andromeda/#218d20db3884

參考文章

https://www./articles/aa/full_html/2018/04/aa32880-18/aa32880-18.html

責(zé)任編輯：趙琨

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