揭秘银河系的暗物质晕：科学家用“时光动画”解开宇宙之谜

出品：科普中国

作者：可可（科普创作者）

监制：中国科普博览

编者按：为拓展认知边界，科普中国前沿科技项目推出“未知之境”系列文章，纵览深空、深地、深海等领域突破极限的探索成果。让我们一起走进科学发现之旅，认识令人惊叹的世界。

近日，一项突破性的研究成果为我们揭示了银河系暗物质晕的神秘面纱，让我们得以一窥宇宙的奥秘。

中国科学院大学、中国科学院国家天文台、北京大学和上海交通大学的科学家们通过创新性的“时光动画”方法，首次推断出了暗物质晕的形状。这项研究成果发表在著名学术期刊《自然-天文》上。审稿人认为，“时光动画”是一种新颖且深具说服力的方法，它不仅加深了我们对银河系结构的理解，也为探索宇宙演化提供了重要线索，为天文学研究开辟了新的道路。

在帕瑞纳天文台的夜空中观赏到的银河系核心（激光为望远镜创造出一颗导引星）

（图片来源：维基百科）

“薯片”形态：银河系的盘面翘曲之谜

当我们欣赏一些银河系的艺术图片时，很难想象银河系并非完美的平面圆盘。实际上，就像薯片一样，银河系的外缘呈现出弯曲的状态，这种现象被天文学家称为“翘曲”。这种翘曲并非银河系独有，在我们近邻的宇宙空间中，大多数盘状星系都表现出类似的特征。

科学家们推测，翘曲的形成与暗物质晕密切相关。

暗物质，一种我们无法直接观测到的神秘物质，它通过引力影响可见物质的运动。在银河系中，暗物质形成了一个巨大的“晕”，包裹着整个星系。而银河系外盘的物质在旋转时，其旋转平面可能偏离了暗物质晕的对称平面，从而导致了翘曲的产生。

这种倾斜的旋转盘面就像一个巨大的陀螺，在暗物质晕的引力作用下产生进动（进动是一种复杂的运动，它使得翘曲的形态随时间发生变化）。然而，长期以来，科学家们对翘曲的进动速度和方向一直存在争议，这主要是因为之前的测量方法存在局限性。

左图：旋转的陀螺在重力力矩下产生进动；右图：类比陀螺，银盘翘曲在暗物质晕的力矩下“翩翩起舞”（进动）

（图片来源：上海交通大学）

“时光动画”：创新方法解锁银河系秘密

为了解决这个难题，中国科学家团队提出了一种全新的研究方法——“时光动画”。这种方法的核心在于利用不同年龄的造父变星来追踪银河系盘面的三维结构变化。

造父变星是一类特殊的脉动变星（是一种由脉动引起亮度变化的恒星，数量约有200万个），它们的亮度周期性变化，且周期与绝对星等之间存在精确的关系。这种特性使得造父变星成为测量宇宙距离的“标准烛光”。在这项研究中，科学家们利用欧洲航天局盖亚卫星发现的约2600颗年轻的经典造父变星作为银河系翘曲的示踪天体。

研究团队结合国家天文台运行的郭守敬望远镜(LAMOST)的观测数据，精确测量了这些造父变星的距离和年龄。通过分析不同年龄造父变星的空间分布，科学家们得以重建过去2.5亿年间银河系盘面结构的演化过程，就像回顾一部以银河系为主角的“时光动画”一样。

这种“时光动画”方法的优势在于，它直接展示了银盘翘曲随时间的变化，避免了之前研究中因动力学扰动或加热效应而导致的误差。通过这种创新性的方法，科学家们成功揭示了银河系盘面翘曲的进动方向和速率。

郭守敬望远镜

（图片来源：维基百科）

银河系“披萨”的“时光动画”

文章来到这里，相信很多读者已经有些头大了，不过先别着急，接下来我们就用一个例子为大家描绘出银河系边缘翘曲的物理图景。

假如我们把银河系想象成一张巨大的宇宙披萨，而我们的太阳系只是这个披萨上的一粒芝麻。现在，让我们来看看这张披萨是怎么做出来的：

披萨师傅（也就是星系形成背后的宇宙力量）将面团抛到空中旋转，这就形成了银河系的基本盘面结构。但是，这位披萨师傅有点调皮，他故意让披萨的边缘翘起来，形成了一个不规则的形状，这就是银河系的翘曲。

在这个披萨上，撒了很多的芝士，这些芝士代表了不同年龄的造父变星。形状完好的芝士是年轻的造父变星，稍微融化的芝士是年龄较大的造父变星。现在，科学家们找到了一种神奇的方法，他们可以通过观察这些芝士的状态，来回放披萨制作的整个过程，这就是“时光动画”的精髓。

通过这种“回放”，科学家们发现披萨在师傅的手中缓慢旋转，而边缘的翘起部分（银河系的翘曲）正在以一种特定的方式移动，这就是进动。有趣的是，科学家们发现披萨的这种旋转并不仅仅是因为披萨师傅的动作。似乎有一个看不见的“披萨转盘”(即暗物质晕)在影响着披萨的旋转。通过仔细分析披萨的旋转方式，他们竟然推断出了这个“隐形转盘”的形状！

这一比喻展示了“时光动画”方法的核心思想：通过观察不同年龄的造父变星在银河系中的分布和运动，科学家们得以重建银河系盘面结构的演化过程，就像回放披萨制作的过程一样。这种创新性的方法让我们得以窥见银河系的动态变化,并最终揭示了暗物质晕的神秘形状。

带有芝士的披萨饼

（图片来源：veer图库）

暗物质晕的真实面目：略微扁平的椭球体

本次研究结果显示，银河系的盘面翘曲正在以一种缓慢而优雅的方式“起舞”。具体来说，翘曲沿着逆太阳旋转方向进动，速率约为2公里/秒/千秒差距(相当于每百万年旋转0.12度)。

这一发现不仅首次精确测定了翘曲进动的方向，还揭示了一个有趣的现象：进动速率随着离银心距离的增加而逐渐减小。这意味着银河系外围区域的翘曲运动较内部更为缓慢。

科学家们同时发现，翘曲的进动速率和方向是由银河系内盘与暗物质晕共同决定的。通过仔细分析这种运动特征，研究团队得以推断出暗物质晕的大致形状。

结果显示，当前包裹银河系的暗物质晕呈现出略微偏离球形的扁椭球形状。

这一发现极具意义。长期以来，科学家们对暗物质晕的形状存在争议，有人认为它是强烈扁平的，也有人认为它是长椭球形的。这项研究通过直接测量银盘翘曲的时间演化，为这一争论提供了新的解答。

研究结果表明，暗物质晕的扁率(短轴与长轴之比)在0.84到0.96之间。这意味着暗物质晕虽然不是完美的球形，但也并非严重偏离球形。这种略微扁平的椭球体形状是目前唯一能够解释观测到的翘曲进动特征的形状。

欧洲南方天文台拍摄的360度全景的银河系图，银河系的中心在视野的中心，银河的北方朝上。

（图片来源：维基百科）

深远影响：为探索宇宙演化提供新视角

由于研究中使用的造父变星样本年龄较小(不超过2亿年)，这一方法实际上直接测量了当前银河系暗物质晕的形状。这为我们理解银河系的演化历史提供了重要线索。通过将这一结果与其他使用年龄较大的示踪天体得到的测量结果相结合，科学家们有望重建暗物质晕形状的演化过程。这不仅有助于我们理解银河系的形成和演化，还为研究整个宇宙的结构形成提供了重要参考。

此外，这项研究的方法论创新也值得关注。“时光动画”方法的成功应用，为未来研究其他星系的结构和演化提供了新思路。这种方法有望应用于更广泛的天文学研究领域，帮助我们更好地理解宇宙的奥秘。

参考文献：

1. Yang Huang et. al., A slightly oblate dark matter halo revealed by a retrograde precessing Galactic disk warp