星系“小尾巴”或成尋找暗物質(zhì)線索 動(dòng)力學(xué)摩擦效應(yīng)此前一直沒有直接觀測證據(jù)

4月21日，美國國家航天航空局(NASA)官網(wǎng)發(fā)布消息稱，天文學(xué)家發(fā)布了新的銀河系外圍的全天空地圖，圖上有一處特別明顯的亮點(diǎn)，其是由一個(gè)即將與銀河系相撞的矮星系引起的恒星尾流，這也引起了天文愛好者們的熱烈討論。中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)天體物理學(xué)博士常江接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示，這是在上世紀(jì)40年代提出動(dòng)力學(xué)摩擦理論后，人類第一次直接觀測到產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)摩擦的高密度尾流。它的發(fā)現(xiàn)將完善星系動(dòng)力學(xué)的理論框架，對星系宇宙學(xué)理論具有重要的推動(dòng)作用。

動(dòng)力學(xué)摩擦效應(yīng)此前一直沒有直接觀測證據(jù)

動(dòng)力學(xué)摩擦效應(yīng)是星系宇宙學(xué)中一個(gè)重要的物理機(jī)制，但一直沒有直接的觀測證據(jù)。

常江表示，一般來說，天體的運(yùn)動(dòng)只需要考慮引力，不需要考慮由于電磁相互作用引起的摩擦力。比如在地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)50億年的過程中幾乎沒有受到摩擦力的影響。

而當(dāng)一個(gè)大質(zhì)量物體靜止在背景密度場中時(shí)，受到各個(gè)方向引力的合力為零，運(yùn)動(dòng)性質(zhì)不會(huì)發(fā)生改變。但如果它相對背景密度場有運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致其萬有引力吸引周圍的物質(zhì)，并在其身后形成一道高密度尾流。這個(gè)尾流會(huì)帶來一個(gè)向后的靜引力，拖拽該物體減速，產(chǎn)生和摩擦力類似的結(jié)果，因而這個(gè)效應(yīng)被稱作“動(dòng)力學(xué)摩擦”。

設(shè)想大河上有一條小船，船繩拴在岸上。如果把系繩放開，船就會(huì)被河水沖走，這是由于河水和船之間有摩擦力(這里不考慮粘滯)。常江向科技日報(bào)記者舉例解釋，如果船與河水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，船就會(huì)因?yàn)楹铀哪Σ亮Χ粠еc河水一起運(yùn)動(dòng);如果河水沒有摩擦力，船受到來自各個(gè)方向河水的引力合力恰為零，這時(shí)即便放開系繩，船也會(huì)因?yàn)榕ｎD第一定律，留在原地不動(dòng)。

但是，即便在河水沒有摩擦力只有引力的環(huán)境下，水經(jīng)過船后因受到船的引力，流動(dòng)軌跡也會(huì)彎折——從船左邊經(jīng)過的水會(huì)向右拐，從船右邊經(jīng)過的水會(huì)往左拐，船尾便產(chǎn)生了一個(gè)高密度的尾流，使得船后方的物質(zhì)比前方的物質(zhì)更多，從而對船產(chǎn)生一個(gè)向后的凈引力，這就會(huì)使船向后運(yùn)動(dòng)。“雖然河水沒有摩擦力，但由于引力聚集，仍然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類似于摩擦力的效應(yīng)。”常江強(qiáng)調(diào)。

與行船相同，星系在一個(gè)背景物質(zhì)場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)摩擦，導(dǎo)致其速度越來越慢。空間尺度越大，這個(gè)效應(yīng)越明顯。太陽系內(nèi)可以不考慮，但在星系尺度就非常明顯了。

這次是人類第一次觀測到了這個(gè)高密度尾流，就是全天空地圖眾銀河系下方的藍(lán)的發(fā)白的團(tuán)塊。“這說明在那里的恒星數(shù)目比周圍的高，很可能就是銀盤下方右側(cè)兩個(gè)星系(大小麥哲倫星云)在銀河系中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的恒星高密度尾流。”常江說。

研究大麥哲倫星云與暗物質(zhì)的新機(jī)遇

新地圖還揭示了這個(gè)高密度尾流和一個(gè)叫作大麥哲倫星云(以下簡稱大麥云)的矮星系之間的聯(lián)系——大麥云像一艘穿過水的船一樣駛過銀暈(科學(xué)家們認(rèn)為，銀暈是由被銀河系扔出來的高速星、星團(tuán)、彌散矮星系等組成的一個(gè)“大雜燴”，包括沒有明顯結(jié)構(gòu)的恒星組成的低密度恒星球和各種星流、恒星高密度區(qū))，它的引力使銀暈中的恒星聚集，并在它的后面產(chǎn)生了尾流。

常江告訴科技日報(bào)記者，大麥云是銀河系內(nèi)最大的衛(wèi)星星系，總質(zhì)量大致為銀河系的十分之一，但它很可能是剛“掉”進(jìn)來的，因而受潮汐影響時(shí)間太短，潮汐結(jié)構(gòu)發(fā)育不充分，所以我們難以對其“掉落”過程進(jìn)行研究。

這次發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于提供了一個(gè)新的結(jié)構(gòu)或新的視角來研究大麥云的掉落過程。常江表示，因?yàn)榇篼溤茖?shí)在太大了，它可以作為一個(gè)很好的“探針”來研究銀河系和周邊的結(jié)構(gòu)，甚至限制宇宙學(xué)和暗物質(zhì)理論。有天文學(xué)家認(rèn)為，銀河系被包裹在一個(gè)巨大的暗物質(zhì)暈中心，恒星和氣體加起來只占這個(gè)暗物質(zhì)暈質(zhì)量的百分之三。

“顯然，根據(jù)動(dòng)力學(xué)摩擦理論，這個(gè)高密度尾流不光由高密度恒星組成，同時(shí)應(yīng)該在相同位置有個(gè)質(zhì)量更大的暗物質(zhì)尾流，兩者合力為大麥云減速。”常江大膽設(shè)想，雖然暗物質(zhì)看不到，但通過對恒星結(jié)構(gòu)和大麥云動(dòng)力學(xué)研究，可以推測這個(gè)尾跡質(zhì)量和范圍有多大，從而進(jìn)一步推測恒星和暗物質(zhì)的比例、恒星暈結(jié)構(gòu)，以及銀河系暗物質(zhì)暈的結(jié)構(gòu)、分布、質(zhì)量等，并對暗物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行判斷，看看是冷暗物質(zhì)還是溫暗物質(zhì)，或者是其他某種特殊粒子。

望遠(yuǎn)鏡助力人類對銀河系和宇宙的認(rèn)識(shí)

“以前繪制的全天地圖，要么看不到外暈;要么精度不高，恒星數(shù)目不夠多;要么由多個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)組合而成，觀測準(zhǔn)確性不確定。”常江表示，此次天文學(xué)家對微弱的恒星尾流實(shí)現(xiàn)成功觀測，得益于觀測能力的提高，更緣于空間望遠(yuǎn)鏡可實(shí)現(xiàn)全天空觀測的優(yōu)勢。

而且，由于地球位于銀盤上，此處的恒星、氣體、塵埃等天體的密度都非常高，對銀盤的光學(xué)觀測一直是個(gè)大問題。除銀盤結(jié)構(gòu)以外，觀測能力也限制了對銀盤邊緣、銀暈、銀河系內(nèi)衛(wèi)星星系和星流的觀測。常江表示：“太遠(yuǎn)太暗的區(qū)域很難看得到它們，即便看到了獲得的信息也極為有限。這個(gè)一方面需要提升望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)，另一方面需要多波段觀測，比如通過X射線看高溫氣體和高能過程等，通過射電望遠(yuǎn)鏡觀測銀河系內(nèi)的氣體等，紫金山天文臺(tái)目前就正在通過射電觀測繪制銀河系內(nèi)氣體分布的‘銀河畫卷’。”(記者 何 亮)