通过记录整个银河系恒星的速度，麻省理工学院的物理学家发现，与距离星系中心较近的恒星相比，银盘中较远的恒星的运行速度比预期的要慢。这些发现提出了一个令人惊讶的可能性：银河系的引力核心可能比之前认为的质量更轻，并且含有更少的暗物质。

新结果基于团队对 Gaia 和 APOGEE 仪器采集的数据的分析。盖亚 (Gaia) 是一架轨道太空望远镜，可跟踪整个银河系超过 10 亿颗恒星的精确位置、距离和运动，而 APOGEE 是一项地面勘测。物理学家分析了盖亚对超过 33,000 颗恒星的测量结果，其中包括一些银河系中最远的恒星，并根据恒星与银河系中心的距离确定了每颗恒星的“圆周速度”，即恒星在银盘中旋转的速度。 。

科学家们绘制了每颗恒星的速度与其距离的关系，以生成一条旋转曲线——天文学中的标准图表，表示物质在距星系中心给定距离处旋转的速度。这条曲线的形状可以让科学家了解整个星系中可见物质和暗物质的分布情况。

麻省理工学院物理学助理教授莉娜·内西布 (Lina Necib) 表示：“真正令我们惊讶的是，这条曲线在一定距离内一直保持平坦、平坦、平坦，然后开始下降。” “这意味着外层恒星的旋转速度比预期要慢一些，这是一个非常令人惊讶的结果。”

研究小组将新的旋转曲线转化为暗物质的分布，可以解释外层恒星的减速，并发现由此产生的地图产生了比预期更轻的星系核心。也就是说，银河系中心的密度可能比科学家想象的要低，暗物质也更少。

“这使得这个结果与其他测量结果产生矛盾，”内西布说。“某个地方发生了一些可疑的事情，弄清楚它在哪里，真正获得银河系的连贯图像，真的很令人兴奋。”

该团队本月在 《皇家学会月刊》上报告了其结果。该研究的麻省理工学院的共同作者，包括 Necib，是第一作者 Xiaowei Ou、Anna-Christina Eilers 和 Anna Frebel。

“在虚无之中”

与宇宙中的大多数星系一样，银河系像漩涡中的水一样旋转，其旋转部分是由其盘内旋转的所有物质驱动的。20 世纪 70 年代，天文学家维拉·鲁宾 (Vera Rubin) 第一个观察到星系的旋转方式不能纯粹由可见物质驱动。她和她的同事测量了恒星的圆周速度，发现所得的旋转曲线出奇地平坦。也就是说，恒星的速度在整个星系中保持不变，而不是随着距离的增加而下降。他们得出的结论是，一定有其他类型的不可见物质作用在遥远的恒星上，为它们提供了额外的推动力。

鲁宾在旋转曲线方面的研究是暗物质存在的最早有力证据之一。暗物质是一种看不见的未知实体，估计比宇宙中所有恒星和其他可见物质的重量还要重。

从那时起，天文学家在遥远的星系中观察到了类似的平坦曲线，进一步支持了暗物质的存在。直到最近，天文学家才尝试用恒星绘制我们银河系的旋转曲线。

“事实证明，当你位于星系内部时，测量旋转曲线会变得更加困难，”欧指出。

2019 年，麻省理工学院物理学助理教授安娜-克里斯蒂娜·艾勒斯 (Anna-Christina Eilers) 利用盖亚卫星发布的早期数据绘制了银河系的自转曲线。该数据发布的范围包括距银河系中心 25 千秒差距(约 81,000 光年)的恒星。

根据这些数据，艾勒斯观察到，银河系的自转曲线看似平坦，但略有下降，与其他遥远星系类似，由此推断，该星系的核心可能存在高密度的暗物质。但随着望远镜发布了一批新数据，这种观点现在发生了转变，这一次包括远至 30 千秒差距(距星系核心近 10 万光年)的恒星。

“在这个距离上，我们正处于银河系的边缘，那里的恒星开始逐渐消失，”弗雷贝尔说。“没有人探索过物质如何在这个外星系中移动，而我们实际上处于虚无之中。”

奇怪的紧张感

Frebel、Necib、Ou 和 Eilers 抓住了 Gaia 的新数据，希望扩展 Eilers 的初始旋转曲线。为了完善他们的分析，该团队通过 APOGEE(阿帕奇点天文台银河演化实验)的测量结果补充了盖亚的数据，该实验测量了银河系中超过 700,000 颗恒星的极其详细的特性，例如它们的亮度、温度和元素组成。

“我们将所有这些信息输入到算法中，尝试学习连接，从而更好地估计恒星的距离，”Ou 解释道。“这样我们就可以向更远的距离推进。”

该团队确定了 33,000 多颗恒星的精确距离，并利用这些测量结果生成了散布在银河系中约 30 千秒差距的恒星的三维地图。然后，他们将这张图合并到圆周速度模型中，以模拟考虑到银河系中所有其他恒星的分布，任何一颗恒星必须以多快的速度运行。然后，他们在图表上绘制了每颗恒星的速度和距离，以生成更新的银河系旋转曲线。

“这就是奇怪的地方，”内西布说。

研究小组观察到，新曲线的外端下降幅度比预期更大，而不是像以前的旋转曲线那样温和下降。这种意想不到的衰退表明，虽然恒星可能以同样快的速度移动到一定距离，但它们在最远的距离处突然减速。郊区的恒星运行速度似乎比预期的要慢。

当研究小组将这条旋转曲线转化为整个星系必须存在的暗物质数量时，他们发现银河系核心所含的暗物质可能比之前估计的要少。

“这个结果与其他测量结果存在矛盾，”内西布说。“真正理解这个结果将会产生深远的影响。这可能会导致银盘边缘之外出现更多隐藏的质量，或者重新考虑我们银河系的平衡状态。我们寻求在即将开展的工作中使用类似银河系的高分辨率模拟来找到这些答案。”

这项研究部分由国家科学基金会资助。