銀河系到底有多重?

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銀河系的直徑是20萬光年,中心厚度1.2萬光年,每一次大規模巡天都會將銀河系的直徑變得更加精確,目前認為銀河系有1000億到4000億顆恆星,在以前的話我們完全可以根據恆星的質量去確定銀河系的質量,因為恆星的質量佔據了恆星質量的絕大部分,行星那點質量完全可以忽略。

在我們的太陽系中太陽質量佔到了總質量的99.86%,因此地球等行星的質量不在考慮範圍之內,目前推算的銀河系質量是2100億倍太陽質量,但根據目前的宇宙學模型來看,銀河系一定還有巨量的暗物質存在,這些暗物質雖然不存在,但是產生的引力讓銀河系不至於分崩離析。


科學家們估計暗物質佔到了銀河系物種總量的85%,除此之外銀河系海洋大量的星際塵埃擋住了我們的視線,很多天體都在人類的視線之外,因此銀河系的精確質量一直是一個迷。

目前對銀河系質量進行過精確估算的是由亞利桑那大學的天文學家,他們在銀河系周圍測量了9個衛星星系的角動量,這種基本守恆量同時也被暗物質所影響,天文學家們用觀測到的數據確定了銀河系的引力效應,最後得出銀河系的真正質量在8000億到1.5萬億太陽質量之間。


我們的太陽系只是銀河系中的一粒沙子,但是誕生於太陽系的人類會用自己的智慧和科學去探究宇宙奧秘。


宇宙探索未解之迷


經常見到問銀河系有多大?第一次見銀河系有多重這個問題,銀河系其直徑在150000到200000光年之間,這是我們通常所說的恆星盤面直徑,還沒有考慮暗物質!其平均厚度約為1000光年,這麼大的銀河系質量到底是多少呢?


如果要計算質量的話那麼必然要考慮暗物質,當然計算方法的不同會導致結果有著很大不同,按最低來說銀河系的質量為5.8×10∧11個太陽質量(M☉),要知道在銀河系雖然恆星數以千億記,還有不同恆星系的其它星球,再加上大量塵埃加起來這些可探測物質可能也只佔了15%左右,而大部分質量似乎是暗物質,一種未知的、不可見的物質,與普通物質在重力作用下相互作用。

其實暗物質暈相對均勻地分佈在距銀河系中心100000秒差距(kpc)以上的距離上。因此根據數學模型就可以算出暗物質的質量,並且因為軌道速度取決於軌道半徑內的總質量,所以2014年發表的一項研究,整個銀河系的質量估計為8.5×10∧11個太陽質量M☉。

而2018年的一個研究中根據測量衛星星系以及恆星流的角動量,利用角動量守恆的原理計算銀河系質量得出質量為9.6×10∧11M☉,這種方法目前看來較為可靠。

總之這類計算只能是大概估計,因為涉及體系太大,技術難度等限制可能不同方法計算結果有所差距,但在數量級上一般是相同的。


科學認識論


由於我們身處銀河系之中,並且銀河系的範圍又很大,想要測出銀河系的總質量不是一件容易的事情。根據不同方法測出的銀河系質量有一定的偏差,從最輕的8000億倍太陽質量,到最重的1.5萬億倍太陽質量。

銀河系中最容易被我們觀測到的是恆星,因為它們會發光,據此可以測量出恆星的距離和質量。但即便統計出銀河系中有多少恆星,也無法精確測量出銀河系的總質量。因為銀河系中還有大量的星際塵埃,它們本身不會發光,只能依靠反射恆星光或者受到恆星輻射的激發而發光。

然而,能夠用各種波段的天文望遠鏡探測到的普通物質只佔銀河系總質量的15%,另外85%是那些十分神秘的暗物質,它們無法用電磁波手段探測到,只能藉助於引力的方法,因為暗物質可以產生引力作用。

理論上,通過測量銀河系邊緣恆星的運動速度以及它們與銀河系中心的距離,可以估算出銀河系的總質量。銀河系中的恆星都會繞著整個銀河系的共同質心(銀心)旋轉,它們的軌道速度與其軌道之內的銀河系質量直接相關。根據這種方法測出的銀河系總質量大約為太陽質量的8500億倍,其中恆星的總質量大約為太陽質量的500億倍。

在2018年,亞利桑那大學的天文學家提出了一種新的方法來給銀河系稱重[1]。銀河系周圍存在不少的衛星星系,例如,肉眼可見的大、小麥哲倫星系,它們都在繞著銀河系運動。由於受到銀河系的強大引力作用,離得較近的衛星星系中的恆星會被拽出來,從而產生恆星流。通過測量衛星星系以及恆星流的角動量,就能間接測出銀河系的總質量,因為角動量是守恆的,所以這種方法更為可靠。結果表明,銀河系的總質量大約為太陽質量的9600億倍。隨著觀測數據的增加,這種測量方法的精度也會進一步提高。

參考文獻

[1]Ekta Patel, Gurtina Besla, et al., Estimating the Mass of the Milky Way Using the Ensemble of Classical Satellite Galaxies, Astrophysical Journal, 2018, 857, 78.


火星一號


如果只看銀河系的圖片,會發現銀河系就像一片煙雲,這一片煙雲能有多重呢?它的總質量遠超出我們的想象。


我們生活在地球上,常常覺得地球都已經大得沒邊兒了,這個巨大的巖質星球直徑就達到了12,756公里,我們開車跑一天,通常也就跑1~2個省的長度,從我國坐飛機飛到美國也需要近10個小時,地球的質量為5.965×10^24公斤,或者說是近60萬億億噸,這主要是根據萬有引力公式中引力與質量成正比,與距離的平方成反比計算出來的,知道力的大小(測量)和距離(測量)就很容易求得地球的質量,再用質量除以體積就能知道地球的平均密度為5.52克/立方厘米。第一個稱量出地球質量的科學家是英國的卡文迪許,他用的就是這類的方法,當時得出的誤差並不大,去年美國科學家又重新稱量了地球的質量,比上面的數值略小一點,但相差不大。


然而如此巨大的地球也只是太陽系中一顆較小的行星,木星、土星、天王星和海王星都要比地球的體積和質量更大,其中木星的體積是地球的1300倍,質量是地球的318倍。

然而太陽質量和體積又比木星大了1000倍左右,太陽的體積是地球的130萬倍,質量是地球的33萬倍,約為1.9891×10^30千克,佔了整個太陽系可見物質總質量的99.86%,它的巨大已經讓人難以想象了。



然而我們的太陽又只是銀河系數千億個恆星中的一個,我們看銀河系的圖片就像一片煙雲,太陽就是這片煙雲中的一粒塵埃,太陽的質量在銀河系恆星質量排名中屬於中等偏上,因為銀河系大部分恆星都是紅矮星和黃矮星,紅矮星質量在太陽的8~50%之間,黃矮星的質量在太陽的50~80%之間,但是也有很多恆星的質量是太陽的幾十倍甚至上百倍,所以我們也可以說太陽的質量在銀河系恆星中屬於中等,那麼這樣看的話,銀河系的總質量將是太陽的數千億倍。


但是在這些恆星之外,還有行星衛星愛行星,小行星和彗星等,並且還有大量的星際塵埃,有些星雲的質量也高達太陽的數百甚至數萬倍,而且天文學家們認為可見物質只佔銀河系總質量的15%,另外85%是不可見的暗物質,所以銀河系的物質總質量並不是那麼容易計算的。

但是天文學家們還是想到了一些測量銀河系質量的方法,比如通過銀河系邊緣恆星的質量、軌道速度、與銀心的距離來計算銀河系的總質量,這樣計算出來的銀河系總量約佔太陽質量的8000-9000億倍之間,去年又有美國天文學家認為可以用銀河系的衛星星系的運行情況來計算銀河系的總質量,比如距離銀河系很近的大麥哲倫星系和小麥哲倫星系,都會受到銀河系的強大引力作用,甚至會產生飛向銀河系的恆星流,那麼通過測量衛星星系以及恆星流的質量和角動量,也能間接測出銀河系的總質量,而且這種方法比測量銀河系外圓的恆星角動量相對更準確一些,計算結果發現銀河系的總質量大約為太陽質量的9500億倍以上,或者說接近1萬億倍,實在太大了。



由於強大的引力場會影響附近空間的物質,所以銀河系也在吸引著附近的天體物質融入銀河系中,天文觀測發現有多個衛星星系正在銀河系的引力控制下融入銀河系中,因此我們也可以說銀河系的質量一直是處於增加中的,所以它的質量也會越來越大。


人類的方向


銀河系到底有多重?

著是比較難駕馭的話題,因為從無論測測量恆星數量的角度去統計還是太陽系以繞行銀河系公轉速度去統計,總會有各種侷限,因為前者有銀盤面上的大量塵埃遮擋,無法準確估計車核球以及受到遮擋的銀盤質量,後者則是因為太陽系在距離2.6萬光年的位置,似乎精度上仍然受到極大的限制!

蓋亞曾經統計出11億顆恆星的座標,根據這些普適到整個銀河系,平均誤差已經控制在極小的範圍內,但這種累加的方式並不適合銀河系,因為銀河系除了我們看得見的恆星之外,還存在這大量我們所看不到的暗物質!既然是看不到的暗物質,那麼又是如何發現的呢?

因為最早在上世紀二十年代對仙女星系的觀測中發現,從星系自轉的速度以及與星系質量的對比上,自轉速度產生的離心力則遠遠大於星系所能給予引力,按理來說這些位於星系邊緣的天體早就應該被甩入宇宙空間,但事實上它們運行的好好的!因此天文學家懷疑有一種看不見的物質在起著這種骨架作用!

到上世紀中期觀測與測量技術提升之後,對仙女星系的自轉進行了精確的測量,由此發現我們觀測到的物質遠遠低於所看不見的物質,甚至在星系中有高達85%質量的物質我們都無法被觀測到!

但這反而給天文界出了一個新思路,因為隨著觀測技術的進步,我們逐漸發現銀河系周邊有很多愛星系在圍繞銀心公轉,因為在這個尺度上,銀河系的總質量將是據丁這些天體軌道參數的關鍵,因此終於在2018年亞利桑那大學的天文學家用這種方法對銀河系的質量做了重新計算!得出的結果太陽的9600億倍!


星辰大海路上的種花家


經常看到銀河系多長,多大,直徑多少,第一次看到有人問銀河系多重。銀河系直徑(含暈)在15萬光年以上,其大小可能與仙女星系相仿。約含有2500億顆恆星,其質量大約是太陽質量的2100億倍。

不過這個2100億倍,算的是銀河系可見物質的總量,據科學家的發現,除可見物質外,還有著暗物質與暗能量,暗物質與暗能量佔據著宇宙總質量的95%,剩下的5%才是我們眼中看到的宇宙物質,星系、星雲、星際塵埃雲等等。所以,還無法求得銀河系可見與不可見物質的總和是多少。

地球的質量是5.965×10^24kg,太陽的質量是地球質量的33萬倍,而銀河系可見物質質量是太陽質量的2100億倍,那麼銀河系可見物質質量就是地球的69300萬億倍,還是相當誇張的哦。

宇宙又是如此的浩渺,人類可觀測的宇宙大小直徑都是930億光年了,其中含有萬億個像銀河系這樣的星系,我們真的能夠實現暢遊宇宙的夢想嗎?

個人淺見,歡迎評論!


科幻船塢


銀河系的質量一般被認為有2000億-4000億個太陽質量,更精確的答案我們還不得而知。



就連我們熟知的銀河系直徑,由新的研究表明也,這一數值不再是10萬光年,而是15萬光年,但以後可能還會再變,畢竟沒有人立於銀河系之上真正觀察過。

我們人類目前對於銀河系的觀察,更多的是從側面用不同的波段“看”整個銀河系。

許多細節我們掌握的都不是很精確,甚至是銀河系到底有幾條懸臂也一知半解。

它們都是我們獲取銀河系質量的重要參數,知道的參數越少,測量的結果誤差自然更大。

除了這些,另一個更加棘手的問題是暗物質的存在,這些我們只有神秘的物質我們對它們的研究也才剛剛開始。

紅線為理論計算恆星公轉速度距離銀河系中心的變化,但我們實際上的觀測是白線呈現給我們,可以看到越往外,恆星公轉速度並沒有減下去,是什麼讓它們在如此高速的情況下還能不被“甩出去”?

據估計,暗物質在整個銀河系中大量分佈,質量可能是可見物質的幾十倍,它對於維持整個銀河系的穩固有這很大的作用。除了銀河系之內,還有更廣大的暗物質暈包圍了整個銀河系,如果把它們也算做銀河系的一部分,關於銀河系有多重,會更加的複雜。




所以這樣看來,真實的銀河系有多重,我們是不得而知的。


擋不住的熵增


我去年秤過,加上暗物質一起秤的,大概3.214*10∧312KG


隨便說一句別當真


準確的描述市,質量多少?但要計算暗物質嗎?暗物質表現出來的引力都很難計算。

銀河系中大部分物質都是恆星,恆星力不是氫氣就是氦氣,行星的比重很小,而且真空不空,中間還有一個密度極高的黑洞。

星球都懸浮在那裡,按規則轉動,我們在地球上的感覺和體系去描述星系非常不合適,因為用我們的“米”、“千克”來衡量,人會有些發矇,因為無法想象,在這個尺度上,不能思考。

我小時候在農村長大,每天晚上都看到清晰的銀河,四季都能看到北斗七星的轉動,北極星的孤獨,天井一串項鍊,牛郎織女星的神話每天都在驗證,可是不能拉近我和他們的距離,我知道我一生也無法到達!

思考宇宙最有意義,最燒腦子,第一次被問宇宙有多大時,我還很小,就被問到哭了,他們一直問“再外面是什麼?”,對於一個小孩……,對於我們人類在宇宙面前也如同小孩!


全球部落


依人類目前科學水平,無法準確知道銀河系的體積,包含星球數量及其他物質的多少和密度,因此,不知道銀河系到低有多重。

不要輕信網絡上的言論,說銀河系有多重,那純是瞎扯。人類目前這點小小的科學,根本就搞不清天文原理。



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