用双脉冲星加速度来测量银河系引力势

银河系是由数百亿颗恒星、气体、尘埃和暗物质组成的旋转盘状结构。我们的太阳和地球就位于这个盘面的一个分支上，距离银河系中心大约 26000 光年。"不识庐山真面目，只缘身在此山中"，我们处在银河系中，是怎样确定它的形状和大小的呢？我们可以通过观测它对周围物体的引力作用来推断。例如，我们可以测量恒星的运动，计算它们的轨道速度，然后根据牛顿的万有引力定律，反推出银河系的质量分布。这就是我们通常所说的运动学方法。

但是，运动学方法有一个缺点，那就是它需要假设银河系是一个平衡的系统，也就是说它的结构不随时间变化，或者变化得很慢。然而，这个假设可能并不成立，因为银河系内部和外部都存在着各种扰动因素。这些因素会导致银河系的结构发生变化，而且变化的时间尺度可能和恒星的轨道周期相当。因此，运动学方法可能会给出不准确或不完整的结果。

那么，有没有一种更直接的方法，可以测量银河系的引力势呢？答案是有的，那就是利用双脉冲星的加速度。双脉冲星是一种特殊的双星系统，其中一颗或两颗恒星都是脉冲星，也就是高速自转的中子星，它们会以极高的精度向外发射电磁波。我们可以通过接收这些电磁波，测量出双脉冲星的位置、速度和加速度。双脉冲星的加速度主要有两个来源，一个是它们之间的相互引力，另一个是银河系的引力。如果我们能够把前者减去，就可以得到后者，也就是银河系的引力对双脉冲星的作用。这样，我们就可以直接得到银河系的引力势的变化，而不需要做任何运动学的假设。

最近有一篇论文就做了这样的工作，他们利用了 26 个双脉冲星的数据，测量了它们由于银河系引力势而产生的视线加速度，也就是它们沿着我们看到的方向的加速度。这些加速度可以直接反映出银河系的引力场，而不需要做任何运动学的假设，这是一个很大的优势，因为运动学的方法往往需要假设银河系是一个平衡的、对称的、平滑的系统，而实际上它可能是非常复杂的、不平衡的、不对称的、不平滑的。

那么，这些双脉冲星的加速度都告诉了我们什么呢？首先，它们告诉了我们银河系的总质量。这个质量是非常重要的，它决定了银河系的大小和形状，也决定了它的引力作用范围。这个质量是很难测量的，因为我们只能看到银河系的一部分，而且还有很多不可见的暗物质。但是，双脉冲星的加速度可以给我们一个很好的估计，它们显示出银河系的质量大约是 2.3 × 10^11 M⊙。这是一个非常大的数字，它相当于2300亿个太阳的质量，而且它比目前普遍接受的模型给出的质量要大一倍，这意味着银河系可能比我们想象的要更加庞大和强大。