天文学家发布新的银河系外围全天空地图 或为暗物质理论提供新的检验标准

天文学家利用美国宇航局和欧空局望远镜的数据，发布了一张我们银河系最外层区域的新的全天空地图。这个区域被称为银河系的光晕 ，位于形成银河系可识别的中心盘的旋转旋臂之外，并稀疏地布满了恒星。尽管光晕可能看起来大部分是空的，但据预测它也包含一个巨大的暗物质库，这种神秘的、看不见的物质被认为构成了宇宙中所有质量的大部分。

新地图的数据来自欧空局的盖亚任务和美国宇航局的近地天体广域红外巡天探测器(NEOWISE)，该探测器在2009年至2013年期间以WISE的名义运行。这项研究利用了航天器在2009年至2018年间收集的数据。

这张新地图揭示了一个叫做大麦哲伦星系（LMC）的小星系是如何被命名的–因为它是围绕银河系运行的两个矮星系中较大的一个–像一艘船在水中航行一样穿过银河系的光晕，它的引力在它身后的恒星中产生了一个尾流。LMC距离地球约16万光年，质量不到银河系的四分之一。

尽管光晕的内部部分已经被高度精确地绘制出来，但这是第一张提供光晕外部区域的类似图片的地图，在那里可以找到尾流–距离银河系中心大约20万光年到32.5万光年。以前的研究已经暗示了尾流的存在，但是全天空地图证实了它的存在，并提供了它的形状、大小和位置的详细视图。

光晕中的这种干扰也为天文学家提供了一个研究他们无法直接观察到的东西的机会：暗物质。虽然它不会发射、反射或吸收光线，但暗物质的引力影响已经在整个宇宙中被观察到。它被认为是建立星系的“脚手架”，如果没有它，星系会在旋转中飞散。

尽管关于暗物质的性质有多种理论，但所有这些理论都表明，它应该存在于银河系的光晕中。如果是这样的话，那么当LMC经过这个区域时，它也应该在暗物质中留下一个尾迹。在新星图中观察到的尾流被认为是这个暗物质尾流的轮廓；恒星就像这个看不见的海洋表面上的叶子，它们的位置随着暗物质的变化而变化。

暗物质和大麦哲伦云之间的相互作用对我们的银河系有很大影响。当大麦哲伦云绕着银河系运行时，暗物质的引力会拖住大麦哲伦云并使其减速。这将导致这个矮星系的轨道越来越小，直到这个星系在大约20亿年后最终与银河系相撞。这些类型的合并可能是整个宇宙中大质量星系增长的一个关键驱动力。事实上，天文学家认为银河系在大约100亿年前与另一个小星系合并了。

“这种对较小星系能量的掠夺不仅是LMC与银河系合并的原因，也是所有星系合并发生的原因，”哈佛大学天文学博士生、这篇新论文的共同作者Rohan Naidu说。”我们地图中的醒觉是一个非常巧妙的确认，我们对星系如何合并的基本描述是正确的！”

一个罕见的机会

这篇论文的作者还认为，新的地图–连同额外的数据和理论分析–可能为有关暗物质性质的不同理论提供一个测试，例如它是否由粒子组成，像普通物质一样，以及这些粒子的属性是什么。

“你可以想象，如果船在水中航行或在蜂蜜中航行，船后的尾流将是不同的，”查理-康罗伊说，他是哈佛大学教授和天体物理学中心的天文学家他是这项研究的合著者。”在这种情况下，尾流的特性是由我们应用哪种暗物质理论决定的。”

康罗伊领导的团队绘制了光晕中1300多颗恒星的位置。挑战出现在试图测量从地球到这些恒星中很大一部分的确切距离。通常不可能弄清楚一颗恒星是微弱的、靠近的还是明亮的、遥远的。该小组使用了来自欧空局盖亚任务的数据，该任务提供了天空中许多恒星的位置，但不能测量与银河系外围区域的恒星的距离。

在确定了最有可能位于光晕中的恒星（因为它们显然不在我们的银河系或LMC内）之后，研究小组寻找属于一类具有NEOWISE可探测到的特定光 “特征 “的巨型恒星。知道了所选恒星的基本属性，研究小组就可以计算出它们与地球的距离，并绘制出新的地图。它描绘了一个从银河系中心开始约20万光年的区域，或者说是预测的LMC的尾流开始的地方，并在此基础上延伸了约12.5万光年。

康罗伊和他的同事在了解到位于图森的亚利桑那大学的一个天体物理学家小组制作计算机模型，预测银河系光晕中的暗物质应该是什么样子之后，受到了启发，开始寻找LMC的尾流。这两个小组共同进行了这项新的研究。

亚利桑那小组的一个模型，包括在新的研究中，预测了新地图中显示的星体尾流的一般结构和具体位置。一旦数据证实该模型是正确的，研究小组就可以确认其他调查也暗示的内容：LMC很可能是在其围绕银河系的第一个轨道上。如果这个较小的星系已经进行了多次运行，那么尾流的形状和位置就会与已经观察到的情况明显不同。天文学家认为，LMC与银河系和附近的另一个星系M31在相同的环境中形成，而且它接近完成围绕我们银河系的漫长的第一条轨道（大约130亿年）。由于它与银河系的相互作用，它的下一个轨道将大大缩短。

亚利桑那大学天文学博士生Nicolás Garavito-Camargo说：“用观测数据证实我们的理论预测告诉我们，我们对这两个星系之间互动的理解，包括暗物质，是在正确的轨道上。”

新地图还为天文学家提供了一个难得的机会来测试我们自己星系中的暗物质的特性。在新研究中，Garavito-Camargo及其同事使用了一种叫做冷暗物质的流行暗物质理论，该理论与观察到的星图相对吻合。现在，亚利桑那大学的团队正在运行使用不同暗物质理论的模拟，看看哪一种最符合在恒星中观察到的尾流。

“这是一组非常特殊的情况，它们共同创造了这种情景，让我们测试我们的暗物质理论，”该研究的共同作者、亚利桑那大学的副教授古尔蒂娜-贝斯拉说。”但是我们只能通过这个新地图和我们建立的暗物质模拟的结合来实现这个测试。”

WISE航天器于2009年发射，在完成其主要任务后于2011年进入休眠状态。2013年9月，美国宇航局重新启动了该航天器，主要目标是扫描近地天体，该任务和航天器被重新命名为NEOWISE。位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室为美国宇航局的科学任务局管理和运行WISE。这项任务是在美国宇航局的探索者计划下通过竞争选出的，由该机构位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理。NEOWISE是加州理工学院下属的JPL和亚利桑那大学的一个项目，由NASA的行星防御协调办公室支持。