近日，一項突破性的研究成果為我們揭示了銀河系暗物質暈的神秘面紗，讓我們得以一窺宇宙的奧秘。
中國科學院大學、中國科學院國家天文台、北京大學和上海交通大學的科學家們透過創新性的「時光動畫」方法，首次推斷出了暗物質暈的形狀。這項研究成果發表在著名學術期刊【自然-天文】上。審稿人認為，「時光動畫」是一種新穎且深具說服力的方法，它不僅加深了我們對銀河系結構的理解，也為探索宇宙演化提供了重要線索，為天文學研究開辟了新的道路。
「薯片」形態：銀河系的盤面翹曲之謎
當我們欣賞一些銀河系的藝術圖片時，很難想象銀河系並非完美的平面圓盤。實際上，就像薯片一樣，銀河系的外緣呈現出彎曲的狀態，這種現象被天文學家稱為「翹曲」。這種翹曲並非銀河系獨有，在我們近鄰的宇宙空間中，大多數盤狀星系都表現出類似的特征。
科學家們推測，翹曲的形成與暗物質暈密切相關。
暗物質，一種我們無法直接觀測到的神秘物質，它透過重力影響可見物質的運動。在銀河系中，暗物質形成了一個巨大的「暈」，包裹著整個星系。而銀河系外盤的物質在旋轉時，其旋轉平面可能偏離了暗物質暈的對稱平面，從而導致了翹曲的產生。
這種傾斜的旋轉盤面就像一個巨大的陀螺，在暗物質暈的重力作用下產生進動（進動是一種復雜的運動，它使得翹曲的形態隨時間發生變化）。然而，長期以來，科學家們對翹曲的進動速度和方向一直存在爭議，這主要是因為之前的測量方法存在局限性。
左圖：旋轉的陀螺在重力力矩下產生進動；右圖：類比陀螺，銀盤翹曲在暗物質暈的力矩下「翩翩起舞」（進動）
（圖片來源：上海交通大學）
「時光動畫」：創新方法解鎖銀河系秘密
為了解決這個難題，中國科學家團隊提出了一種全新的研究方法——「時光動畫」。這種方法的核心在於利用不同年齡的造父變星來追蹤銀河系盤面的三維結構變化。
造父變星是一類特殊的脈動變星（是一種由脈動引起亮度變化的恒星，數量約有200萬個），它們的亮度周期性變化，且周期與絕對星等之間存在精確的關系。這種特性使得造父變星成為測量宇宙距離的「標準燭光」。在這項研究中，科學家們利用歐洲航天局蓋亞衛星發現的約2600顆年輕的經典造父變星作為銀河系翹曲的示蹤天體。
研究團隊結合國家天文台執行的郭守敬望遠鏡(LAMOST)的觀測數據，精確測量了這些造父變星的距離和年齡。透過分析不同年齡造父變星的空間分布，科學家們得以重建過去2.5億年間銀河系盤面結構的演化過程，就像回顧一部以銀河系為主角的「時光動畫」一樣。
這種「時光動畫」方法的優勢在於，它直接展示了銀盤翹曲隨時間的變化，避免了之前研究中因動力學擾動或加熱效應而導致的誤差。透過這種創新性的方法，科學家們成功揭示了銀河系盤面翹曲的進動方向和速率。
銀河系「披薩」的「時光動畫」
文章來到這裏，相信很多讀者已經有些頭大了，不過先別著急，接下來我們就用一個例子為大家描繪出銀河系邊緣翹曲的物理圖景。
假如我們把銀河系想象成一張巨大的宇宙披薩，而我們的太陽系只是這個披薩上的一粒芝麻。現在，讓我們來看看這張披薩是怎麽做出來的：
披薩師傅（也就是星系形成背後的宇宙力量）將面團拋到空中旋轉，這就形成了銀河系的基本盤面結構。但是，這位披薩師傅有點調皮，他故意讓披薩的邊緣翹起來，形成了一個不規則的形狀，這就是銀河系的翹曲。
在這個披薩上，撒了很多的芝士，這些芝士代表了不同年齡的造父變星。形狀完好的芝士是年輕的造父變星，稍微融化的芝士是年齡較大的造父變星。現在，科學家們找到了一種神奇的方法，他們可以透過觀察這些芝士的狀態，來回放披薩制作的整個過程，這就是「時光動畫」的精髓。
透過這種「回放」，科學家們發現披薩在師傅的手中緩慢旋轉，而邊緣的翹起部份（銀河系的翹曲）正在以一種特定的方式移動，這就是進動。有趣的是，科學家們發現披薩的這種旋轉並不僅僅是因為披薩師傅的動作。似乎有一個看不見的「披薩轉盤」(即暗物質暈)在影響著披薩的旋轉。透過仔細分析披薩的旋轉方式，他們竟然推斷出了這個「隱形轉盤」的形狀！
這一比喻展示了「時光動畫」方法的核心思想：透過觀察不同年齡的造父變星在銀河系中的分布和運動，科學家們得以重建銀河系盤面結構的演化過程，就像回放披薩制作的過程一樣。這種創新性的方法讓我們得以窺見銀河系的動態變化,並最終揭示了暗物質暈的神秘形狀。
暗物質暈的真實面目：略微扁平的橢球體
本次研究結果顯示，銀河系的盤面翹曲正在以一種緩慢而優雅的方式「起舞」。具體來說，翹曲沿著逆太陽旋轉方向進動，速率約為2公裏/秒/千秒差距(相當於每百萬年旋轉0.12度)。
這一發現不僅首次精確測定了翹曲進動的方向，還揭示了一個有趣的現象：進動速率隨著離銀心距離的增加而逐漸減小。這意味著銀河系外圍區域的翹曲運動較內部更為緩慢。
科學家們同時發現，翹曲的進動速率和方向是由銀河系內盤與暗物質暈共同決定的。透過仔細分析這種運動特征，研究團隊得以推斷出暗物質暈的大致形狀。
結果顯示，當前包裹銀河系的暗物質暈呈現出略微偏離球形的扁橢球形狀。
這一發現極具意義。長期以來，科學家們對暗物質暈的形狀存在爭議，有人認為它是強烈扁平的，也有人認為它是長橢球形的。這項研究透過直接測量銀盤翹曲的時間演化，為這一爭論提供了新的解答。
研究結果表明，暗物質暈的扁率(短軸與長軸之比)在0.84到0.96之間。這意味著暗物質暈雖然不是完美的球形，但也並非嚴重偏離球形。這種略微扁平的橢球體形狀是目前唯一能夠解釋觀測到的翹曲進動特征的形狀。
歐洲南方天文台拍攝的360度全景的銀河系圖，銀河系的中心在視野的中心，銀河的北方朝上。
（圖片來源：維基百科）
深遠影響：為探索宇宙演化提供新視角
由於研究中使用的造父變星樣本年齡較小(不超過2億年)，這一方法實際上直接測量了當前銀河系暗物質暈的形狀。這為我們理解銀河系的演化歷史提供了重要線索。透過將這一結果與其他使用年齡較大的示蹤天體得到的測量結果相結合，科學家們有望重建暗物質暈形狀的演化過程。這不僅有助於我們理解銀河系的形成和演化，還為研究整個宇宙的結構形成提供了重要參考。
此外，這項研究的方法論創新也值得關註。「時光動畫」方法的成功套用，為未來研究其他星系的結構和演化提供了新思路。這種方法有望套用於更廣泛的天文學研究領域，幫助我們更好地理解宇宙的奧秘。
參考文獻：
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Yang Huang et. al., A slightly oblate dark matter halo revealed by a retrograde precessing Galactic disk warp
出品：科普中國
作者：可可（科普創作者）
監制：中國科普博覽
