銀河系到底有多重?

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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?

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科幻船塢


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


十年磨一劍,就在昨天,天文學家發表了對銀河系質量的精確估算。

質量是星系最重要的屬性之一,精確估算銀河系質量對於超級計算機模擬銀河系與仙女星系未來的碰撞或者融合是非常重要的一個參數呢,雖然我們都活不到那一天,但我們現在就能預測未來數十億年後發生的宏觀天文事件,想想還是挺激動的,天文研究幫助凡人超越自我。但身在銀河系中,反倒讓天文學家們很難精確估算銀河系的質量。此前根據對其它星系的研究,天文學家給出了我們自己所在銀河系的質量範圍,從5,000億~30,000億個太陽質量。這個數字實在過於粗糙。


但就在昨天,《天體物理學雜誌》上發表的一篇論文,經過十年的數據積累,天文學家們認為自己已經能夠較為精確的估算出銀河系的質量,大約為1.54萬億個太陽質量。這個質量的確落在了此前的估算範圍內。這一成就,是通過哈勃太空望遠鏡以及ESA(歐洲航空航天局)發射的專門用來觀察銀河系中恆星運動的蓋亞衛星收集到的數據來獲得的,為了收集這些數據,花了十年時間。

圖示:2013年,ESA(歐洲航空航天局)發射蓋亞衛星,對銀河系進行前所未有地詳細觀測。


ESA發射蓋亞衛星,其雄心壯志是想繪製一個三維的銀河系。蓋亞衛星將測量銀河系數萬光年內的天體在銀河系三維空間中的精確運動軌跡。其工作目標是繪製至少十億個銀河系中的天體運動,包括恆星、行星、彗星、小行星乃至類星體等。正是這些詳細的數據,幫助天文學家估算出了銀河系的質量。因為質量就意味著引力,而引力會影響天體的運動。


由於蓋亞衛星只能觀察離地球數萬光年內的天體運動,想要稱量銀河系的天文學家們還需要更遙遠的天體的運動模式才能真正知道銀河系有多重,因為銀河系的質量絕大部分是由暗物質提供的,而暗物質的分佈不僅是在銀河系中還包括正常物質構成的銀河系的附近,因此要稱量一個完整的銀河系的質量,我們還需要觀察銀河系邊緣天體的運動。這超出了蓋亞衛星的能力,不過好在天文學家有著名的哈勃太空望遠鏡的幫助。

圖示:正常物質構成的銀河系+銀河系附近的暗物質 = 完整銀河系


總之,藉助哈勃太空望遠鏡和蓋亞衛星的幫助,天文學家仔細觀察了數十個球狀星團的運動,並藉助它們估算出銀河系的新質量,還更改了從前對銀河系半徑的估算,將它從大約10萬光年,延伸到129,000光年。

圖示:通過觀測資料生成的銀河系模型,以及它周圍受銀河系引力影響的球狀星團。


天文學家提取了34個距離地球65,000光年的球狀星團的運動數據,它由蓋亞衛星提供。而哈勃太空望遠鏡則提供了另外12個遠離地球130,000光年的球狀星團的運動數據,這項觀察任務斷斷續續花了哈勃太空望遠鏡十年時間才完成,畢竟哈勃太空望遠鏡的任務繁重。


綜合這45個球狀星團的運動軌跡,天文學家們估算出銀河系的最新質量為1.54萬億個太陽質量。這一估算未必是最終估算,隨著技術的進步以及更多數據的獲取,未來可能會再次變動。這正是科學的特徵,一步一步地接近真相。

圖示:紅點代表銀河系中的球狀星團。球狀星團是銀河系中最古老天體集群。


有理由認為所有的恆星最初都誕生在一個球狀星團中,一個巨大的球狀氣體塌縮成為一個球狀星團。但一些球狀星團中的恆星,最終在銀河系中散開了,我們的太陽系就是其一。因此我們附近的恆星非常少。但另一些球狀星團在成型後,卻一直保持相對獨立性,以一個整體在銀河系中運動。研究這些大質量球狀星團的運動,就能幫助天文學家估測銀河系的質量。這類似於,如果知道太陽系中各行星的質量和運功軌跡,就能估算太陽的質量一樣。


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三思逍遙


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


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


這個問題如果想要準確無誤的回答結果是沒有的,目前西方科學家經過十年努力大概算出有一萬五千億多個太陽質量,這也只是大概數據,究竟銀河系到底有多重其實研究這個問題也是沒有任何意義的。銀河系據估計有10萬光年直徑銀心中央區厚約2萬光年,大概有1000億到四千億個恆星團,每個恆星團都有不同數量的行星,行星還有衛星,銀河系中還有很多星雲塵埃。這些天體星雲我們只能藉助先進的天文望遠鏡進行觀測估算,並不能有效的測量出實際的質量。


永遠輝煌g


答:目前對銀河系質量的測量,還存在較大的爭議,各種測量方法得出的結果有偏差,但是基本都在5000億~15000億倍太陽質量之間。


天文學還沒有一個精確測量銀河系質量的方法,而且銀河中的普通物質,佔了銀河系總質量的大約15%,另外還有大約85%的暗物質。

我們可以根據銀河系的觀測模型,估算出銀河系恆星的數量,然後乘以恆星質量的平均值,就可以得出銀河系恆星的總質量,不到1000億倍太陽質量,這樣的辦法無法統計暗物質、黑洞、流浪行星等等質量,得出的誤差非常大。


暗物質不發光很難被觀測到,唯有通過引力作用才能探測到暗物質的存在,天文學觀測發現,銀河系邊緣的恆星運動速度,比模型預測的要高很多,目前主流解釋是受到暗物質的影響。

如果通過銀河系邊緣恆星的運行速度來估算銀河系質量,大約是8500億倍太陽質量(包括暗物質),該測量方法也具有較大的不確定度。


在2018年,美國天文學家使用了一種新方法,測量出銀河系質量大約是9600億倍太陽質量,該方法原理:在銀河系周圍存在很多衛星星系,這些衛星星系的受到銀河系引力的影響,衛星星系中的一些恆星會被拖拽出來,形成恆星流。通過研究恆星流的運動情況,就可以得到銀河系總質量的信息。

以上各種測量方法,得出銀河系質量相差較大,從各測量結果來看,銀河系質量應該在5000億倍~15000倍太陽質量之間,今後隨著觀測數據的增多,銀河系質量應該會有更準確數值。


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艾伯史密斯


我們要有點大概的科學常識。

首先,在物理學上,重量與質量是絕對不同的概念。地球上一千克的質量是一千克的重量,但是,如果一千克的鐵球拿到月球上,質量沒變,但是重量卻成了一千克的四十九分之一。同樣,如果拿到太陽上,質量也沒變,但是重量卻成了一千克的大概三十三萬倍。所以,重量是個變值,提問銀河系的總重量的提法是不對的。只能問銀河系的總質量是多少!

其次,銀河系雖然在宇宙中形同塵埃,但是相對人類的觀察能力而言,銀河系又太大了。對於銀河糸的物質組成,用管中窺豹比喻一點兒也不為過。只能是個大體猜測。據科學家猜測,銀河糸總質量大概為太陽質量的七千億至兩萬億倍,空間太大了。所以到今天為止,人類既不知道銀河系總質量,更不知道銀河系的逃逸速度,但是,總之與人類而言,這兩個數值很大就是,大的超出了想象,是一個無法想象的數值。

再一個,愛因斯坦創立的廣義相對論,論證了引力是質量造成的時空扭曲,所以,萬有引力是不存在的。我們也大概明白,銀河系的總尺寸與恆星的點綴反映了銀河系大部分是虛空,而原子同樣也大部分是虛空,再往下再細分,到粒子,色子級別,仍然大部分是虛空,是否繼續細分下去,到底小到多少才不是虛空?量子級別能否再細分下去?我們並沒有明確答案。

愛因斯坦告別了人類固有的時間,空間感覺發現了萬有引力的真諦,人類若不能告別質量,重量等等感官的感覺也永遠無法認識到物質的本質,物理的本質。


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銀河系有多重?怎麼會想到這樣的問題呢?說實話,這倒是一個很有趣的問題,最近還真的有科學家邁出了重要的一步,那就是衡量銀河系究竟有多重。


但是說起來容易做起來難啊,銀河系這麼大的一個物體,沒有任何東西可以用來稱它啊。衡量星系重量這個問題其實已經困擾科學家們很多年了,但是我們畢竟無法把它放在一個準確的規模上。一直以來,天文學家都在試圖衡量銀河系的重量,但是往往是每一次嘗試都會得到不同的結果,這讓科學家們很是懊惱。

想要衡量一個星系,你就得知道它的引力有多強。銀河系內有多少顆恆星尚且還不知道,粗略估計是1500億顆,但是實際數目可能遠遠不止這麼多,而且太陽也並非是一個質量很大的恆星,除了恆星以外,還會有行星以及一些彗星啥的,所以銀河系的質量根據科研人員的估計,大概在7000億到2萬億個太陽之間。

現代科學認為,宇宙中我們能夠直接看見或者是觀測到的物質,只是宇宙中物質的一部分而已,有很大的一部分,甚至是絕大部分,都是看不見的。這就要說到暗物質了,暗物質雖然還沒有被觀測所證實,但是很多科學家都認為暗物質是存在的,在我們的宇宙中,暗物質佔據的質量,可能佔比超過了90%,而暗物質則是廣泛分佈於宇宙的各個角落,雖然看不見,但是實際存在。

一項最新的研究認為,銀河系的質量為太陽的9600億倍,而之前有研究認為銀河系的質量在太陽的質量的7000億倍到2萬億倍不等,這次的結果,相當於之前公佈的最大值的一半。當然天文學家必須通過研究星系是如何跟圍繞它運轉的物體發生作用的,而通過記錄周圍的衛星星系和恆星流的移動,研究人員就可以估算出我們銀河系的具體重量。


最早科學家認為,銀河系的質量應該是集中分佈在銀心的,又理所當然地認為位於靠近銀河系中心的恆星應該比邊緣的恆星運行得更快才對,但是後來觀測得出來的結果卻不是這樣的,天文學家發現它們運行得差不多快,但是這又產生了一個問題,那就是外圍星系運行如此之快,它運行產生的動量本應該將星系撕裂才對,但是這種情況卻沒有發生。所以這也就是為什麼科學家堅信暗物質存在的原因了,但是與此同時,這又對測量星系的質量提出了一點挑戰。


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