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用双脉冲星加速度来测量银河系引力势

科学探索万象经验2024-03-24

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。

其次,它们告诉了我们银河系的密度分布,也就是不同位置的质量密度。这个密度分布是非常有趣的,它可以反映出银河系的结构和演化,也可以反映出银河系的不稳定性和不对称性。例如,我们可以用双脉冲星的加速度来测量银河系中心的密度,也就是 Oort 极限,它是一个很重要的参数,它可以告诉我们银河系中心有多少普通物质和暗物质。

双脉冲星的加速度给出的 Oort 极限是 0.062 ± 0.017 M⊙/pc³,这个值和以前用脉冲星计时测量的值相近,但是有更小的误差。双脉冲星的加速度还给出了银河系中心的暗物质密度,它是 −0.010 ± 0.018 M⊙/pc³,这个值是一个负数,这意味着银河系中心的暗物质密度可能比太阳附近的暗物质密度要低,这是一个有趣的结果,它可能说明银河系的暗物质分布是不均匀的,或者银河系的引力势有一些我们没有考虑到的复杂性。

再次,它们告诉了我们银河系的旋转曲线,也就是不同位置的速度。这个旋转曲线是非常重要的,它可以反映出银河系的动力学和运动学,也可以反映出银河系的稳定性和对称性。最后,它们告诉了我们银河系的加速度场,也就是不同位置的加速度向量。这个加速度场是非常有趣的,它可以反映出银河系的不平衡和不对平衡和不对称性。

例如,我们可以用双脉冲星的加速度来测量银河系的非圆运动,也就是不同位置的径向和垂直加速度。这些加速度可以反映出银河系的非圆速度,也就是不同位置的径向和垂直速度,它们可以告诉我们银河系的非圆运动的原因和效果。双脉冲星的加速度给出的非圆运动值都是接近于零的,这意味着银河系的非圆运动是很小的,这是一个符合观测的结果,它说明银河系是一个近似于平衡的系统,它的非圆运动的影响是可以忽略的。

总之,双脉冲星的加速度是一种非常强大的工具,它可以帮助我们探测银河系的结构和动力学,它可以给出银河系的质量、密度、旋转和加速度的信息,而不需要做任何不现实的假设,它可以揭示银河系的复杂性和多样性,它可以挑战我们对银河系的认识和理解。这篇论文就是一个很好的例子,它用双脉冲星的加速度给出了一些有趣的结果,它们可能改变我们对银河系的看法,也可能激发我们进一步的研究。