银河系与仙女座星系 谁更重？

翻译：毛明远

校对：赵琨、杨伯顺、王克义

本文转载自“牧夫天文”（ID：astronomycn）

封面图片：壮丽的银河

Credit: ESO/S. GUISARD

宽广的银河系，容纳了千亿颗恒星，太阳——我们的生命之源——只是其中之一；银河系所处的本星系群，拥有60余个星系；从下图不难看出，银河系与仙女座星系当属最大的两个。

仙女座星系尺寸更大显而易见，但说到质量，谁能称霸本星系群，至今还是难解的谜团。

本星系群由银河系和仙女座星系“主导”

Credit: ANDREW Z. COLVIN

测量一个星系的质量谈何容易，如果是我们所处的银河系，则更难上加难。假如你想知道你所处房间中每个人眼睛的颜色，那你就要走到每个人的身边观察并记录，或是借助望远镜观察，但你却无法明确自己眼睛的颜色（虹膜的颜色）。

看看人们的面孔(译者猜测这是2017年北美世纪日全食时拍摄的)

Credit: PUBLIC DOMAIN / PXHERE

想要知道自己眼睛的颜色：1、可以询问他人；2、通过反射光，比如照照镜子、自拍。

然而对于银河系，我们永远无法完成这两个“简单”的动作。

奥大大

Credit: PETE SOUZA / WHITE HOUSE

如何观测和估算银河系的质量 ？科学家们一直在做各种尝试，望远镜越建越大，选址海拔越来越高，甚至我们把望远镜送到太空(但也就在地球旁边)，巡天观测让我们获取到大量银河系恒星的信息，但这些信息依然非常有限。

来自盖亚任务的银河系全景图，中间横跨图片的是银河系，右下方是大小麦哲伦云

Credit: ESA/GAIA

截至目前的观测数据表明，银河系拥有约2000-4000亿颗恒星，太阳系距离中心约2.5万光年。

• 银河系直径10万光年，而中心厚度约5000-6000光年，边缘厚度2000-3000光年，可见物质(恒星、尘埃和气体)之间会相互遮挡。

• 银河系的旋臂到底是什么状况未有定论。

• 远端的超新星和超新星遗迹很难观测。

• 物质围绕银河系中心旋转，但准确测算这个运动并不容易。

四种不同波段的银河系中心区域影像，从上至下分别是：亚毫米波、远红外、近红外和可见光

Credit: ESO/ATLASGAL CONSORTIUM/NASA/GLIMPSE CONSORTIUM/VVV SURVEY/ESA/PLANCK/D. MINNITI/S. GUISARD ACKNOWLEDGEMENT: IGNACIO TOLEDO, MARTIN KORNMESSER

上图可以看出波长较长的光穿透能力较强。目前，欧空局的盖亚任务对银河系的天体测量意义重大，它让我们了解到很多银河系的细节。

再来看看仙女座星系，它距离我们200万光年，是天空中角直径最大的星系。科学家对仙女座星系进行了大量观测，其中最著名的要数全波段哈勃仙女座星系库PHAT(the Panchromatic Hubble Andromeda Treasury)的观测数据，几乎覆盖了一半范围的恒星和尘埃。

PHAT影像

Credit: NASA, ESA, J. DALCANTON, B.F. WILLIAMS, L.C. JOHNSON (UNIVERSITY OF WASHINGTON), THE PHAT TEAM, AND R. GENDLER

经过对比现有观测数据，仙女座星系的数据在以下几个方面占优势：

• 从恒星数量上，斯皮策空间望远镜(红外)观测结果表明，仙女座星系约有1万亿颗恒星，而银河系的恒星数量不确定性很高，数量范围是2000-4000亿颗恒星。

• 仙女座星系的直径还是比较容易测量的，约22万光年，而银河系仅有10万光年。

• 仙女座星系的恒星更古老，它的恒星形成速率大约仅有银河系的20-30%。

仙女座星系中6个壮观的星团(其中第五张明亮的橙色恒星是前景银河系的恒星)。这些来自PHAT的观测结果有助于我们测算仙女座星系的恒星形成速率和它们的历史

Credit: NASA, ESA, J. DALCANTON, B.F. WILLIAMS, L.C. JOHNSON (UNIVERSITY OF WASHINGTON), AND THE PHAT TEAM

这样看来，仙女座星系的质量应该比银河系大很多。但是我们忽略了一些因素： 测算星系的质量通常是观测围绕星系中心的星系晕中的星团、恒星。对于仙女座星系来说，主要的物质分布在中心向外的百万光年范围内，不仅包括上述星团、恒星，还有尘埃、气体，以及上文未提及的暗物质。因此，仙女座星系的质量仍存在很大的不确定性，约是太阳质量的8000亿至1.5万亿倍。

该图片展示了科学家估算仙女座星系质量的一种手段。仙女座星系中的气体会吸收部分来自远方类星体的光线，在特定波段出现吸收谱

Credit: NASA, ESA, AND A. FEILD (STSCI)

科学家借助盖亚任务和哈勃空间望远镜，测量了银河系中46个球状星团的径向运动(视线方向)和自行运动(垂直于视线方向)，最远的距离我们13万光年，这进一步提升了计算银河系质量的准确性。

结论

通过盖亚任务的数据测算出银河系的质量是太阳的1.3万亿倍；结合盖亚任务和哈勃数据(哈勃空间望远镜可以获取更远的球状星团数据)测算出银河系的质量是太阳的1.54万亿倍，误差小于太阳质量的1000亿倍。

围绕银河系中心的球状星团分布，距离银河系中心越近的球状星团拥有更高的金属丰度

Credit: WILLIAM E. HARRIS / MCMASTER U., AND LARRY MCNISH / RASC CALGARY

由此可知，仙女座星系测算质量的最大值与银河系相仿，最小值则只有银河系的一半。

发表于去年的一项研究成果还曾提出，银河系比以往的估算要大的多，直径高达17万光年。

北斗外侧的M81和M82是两个星系，很像我们银河系与仙女座星系。

Credit: MARKUS SCHOPFER / C.C.-BY-2.5

在很长时间内，人们都一直认为仙女座星系比银河系更大、更重，但不断提高的观测技术在持续的修正这些观点。

星系中的恒星流，引力在过去和现在所起的作用，星系的初始状态及演化历史，统统会影响星系质量的测量；除了已经可测的恒星和星团的速度，我们还需要测量其加速度，受限于目前的技术，后者难度巨大。银河系和仙女座星系的质量之争有待进一步研究解决。

原文链接

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/03/14/could-the-milky-way-be-more-massive-than-andromeda/#218d20db3884

参考文章