我们可能最终找到一种方法来测量银河系的重量

想象一下，你一生都生活在一个小镇里，根本不知道这个小镇有多大，延伸多远。在 2019 年，这是一个难以想象的前景。但从天文学的角度来看，这正是我们的处境——我们不知道银河系有多大，也不知道它到底有多重。值得庆幸的是，科学家们对如何回答这些问题有一些想法。在一项即将发表在《天体物理学杂志》上的新研究中，科学家们报告了对银河系大小的全新、更精确的估计：它的质量是太阳的 1.5 万亿倍，半径从星系中心向外延伸约 129,000 光年。

我们之前未能确定银河系的质量并不完全令人惊讶。银河系由数十亿颗炽热、耀眼的恒星、行星和各种大小的物体组成，散布在黑暗的真空中。其中近 90% 的物质都是暗物质，我们从未直接观察到过（我们只知道它存在，因为我们可以观察到它的引力作用于我们能看到的物体）。我们之前对银河系质量的估计范围在 5000 亿到 3 万亿太阳质量之间。

这种不精确性不仅仅是一个孤立的谜团。它渗透到其他天文学家的工作中，并阻碍了他们的工作。“由于我们生活在银河系中，所以没有其他星系比我们更了解，”巴尔的摩太空望远镜科学研究所的科学家、新研究的合著者 S. Tony Sohn 说。“这意味着很多东西，比如我们的宇宙学模型，都是根据银河系校准的。”我们基本上以银河系为参考，以了解宇宙中一切事物的起源和演化，包括银河系本身。

在我们用于开展这项工作的模型中，“最重要的物理量是质量”，索恩说。没有质量，我们就无法弄清楚星系中的暗物质如何运作以及它可能位于何处，也无法预测当仙女座星系在 80 亿年后撞上我们星系时会发生什么。质量就是一切。

既然你无法将银河系很好地放在巨大的尺度上，那么如何测量它的质量呢？一种方法是测量星系中其他物体的运动，并根据它们的原始位置查看它们移动的速度有多快或多慢。这个想法是，银河系的质量越大，星系对物体施加的引力就越大，导致它们移动得更快。

从历史上看，研究这些运动一直很困难，而这恰恰是 ESA 史无前例的盖亚任务的用武之地。该任务的明确目的是扫描整个夜空，记录尽可能多的恒星，并提供它们的 3D 速度。“如果你能更好地了解 3D 运动，”Sohn 说，“你实际上可以得到更可靠的质量估计。”他和他的同事利用该任务发布的第二次数据来追踪银河系球状星团和其他恒星聚集体的运动。

该团队能够利用盖亚数据来描述距离地球 65,000 光年的约 34 个不同的球状星团。但是，尽管盖亚能够以令人难以置信的广阔视野窥视太空，但其深度有限。因此，Sohn 和他的团队利用哈勃望远镜对距离地球 130,000 光年的另外 12 个星团长达十年的观测来巩固他们的数据收集。之后，该团队将这些数字代入可以确定质量的模型中，瞧——我们估计银河系的质量为 1.5 万亿太阳质量。

这并不是说新的估计是完美的，或者将有助于完全回答我们更大的宇宙学问题。事实上，根据 Sohn 的说法，新的数字只精确到 30% 到 40%，他承认它们可能与银河系质量的真实值相差甚远。在像这样的理想调查中，你可以研究一直延伸到银河系边缘的移动物体，但盖亚无法看到那么远。天文学家的局限性在于，他们只能利用我们已知的地球附近的数据，并根据我们最好的工具将这些值推断到更远的近似值。

尽管如此，这比以前的模型有了很大的改进，令人兴奋的是，随着更多的观察和我们的仪器变得更加精确，这个值只会变得更加精确。索恩说，第三次盖亚数据发布应该会在几年内发布，团队将可以相对轻松地应用他们在这项研究中使用的相同方法，将质量数修改为更精确的值。随着每次修订，我们理解宇宙过去、现在和未来的框架将变得更加清晰。