银河系的重量是多少（银河月球多重）

天空中有多少颗星星？银河系的“重量”是多少？如何权衡？我们邀请专家来聊聊吧。

北京日报客户端|记者王宏亮

最近，一个国际合作小组利用中国郭守敬望远镜和欧空局盖亚空间望远镜的数据，精确测量了银河系的质量，该质量是太阳质量的5500亿倍。与其他国际团队测得的平均值(约为太阳质量的1万亿倍)相比，这个结果小了将近一半，但测量结果的精度却几乎提高了一倍。人类是如何一步步了解我们的星系的？衡量银河系质量的重要数值有哪些？天文学家发明了哪些巧妙的“称重” ？我们邀请中国科技馆助理研究员、天文学博士宋楠来谈谈这个。

欧洲航天局2022年6月13日发布的盖亚太空探测器绘制的银河系多维地图。

中国科学院国家天文台兴隆观测站郭守敬望远镜。

（1）从数星星开始窥探银河系全貌

明亮的银河布满了星星。人类从仰望星空的那一刻起，就对夜空中璀璨的3354银河产生了无限的想象。在中国古代，它被视为分隔牛郎织女的天河，而在西方，它被视为赫拉天后的乳汁形成的“乳道”。随着现代天文望远镜的出现，人类开始从科学的角度逐步认识银河系。

17世纪初，伽利略将望远镜对准夜空，发现昏暗的银河系其实是由无数颗恒星组成的，开启了人类用天文设备研究银河系的大门。夜空中的银河是什么样子的？18世纪后期，英国天文学家威廉赫歇尔花了十几年的时间用望远镜数天上的星星，记录了它们的分布位置和数量。他手绘了银河系的之一张肖像，揭示了银河系是一个近乎扁平的结构。

随着大型望远镜设备的发展，经过沙普利等几代天文学家的努力，目前，人类已经认识到银河系看起来像一个扁平的圆盘结构，主要由三部分组成圆盘的中央部分是一个凸起的亮核球体；核的外伸部分是一个银色的圆盘，大部分恒星聚集在上面；银盘周围还有稀疏的球形空间，称为银晕。我们的太阳系位于银河系中心26000光年之外，由于引力的作用，它围绕着银河系中心旋转。

当提到恒星围绕银河系中心旋转时，科学家们发现了一个异常现象。通过测量银河系中心外不同距离的物质自转速度，可以画出银河系的自转曲线。按照银河系可见物质的观测范围，在银河系中心5万光年半径之外，几乎看不到恒星和尘埃气体。换句话说，在这个距离之外测得的物质的旋转速度应该逐渐降低。，实际测量结果却让科学家们大吃一惊。在银河系可见边界的外围，物质的旋转速度不减反增，不符合牛顿万有引力定律。仿佛有一只看不见的手，支撑着银河系的外层物质绕着银心高速旋转。不仅仅是银河系，很多其他星系也发现了类似的自转曲线，于是科学家引入了暗物质的猜想。

（2）给银河系“称重”操作困难重重

天文学家非常重视银河系的“称重”。核心原因是银河系的“重量”与暗物质密切相关，进而对星系的形成和演化以及周围的环境物质产生重要影响。

银河系的部分质量由可见物质组成，即各波段望远镜可以探测到的恒星、气体和尘埃。举个例子，目前我们知道银河系大约有1000亿到4000亿颗恒星，它们的质量占整个可见物质的96%，剩下的3%是气体，1%是尘埃。在各种望远镜的探测下，这部分的质量大小和分布范围已经比较清楚了

，银河系的质量，尤其是暗物质质量的大小和分布，对于研究银河系的起源和演化非常重要。，在银河系周围，有很多更小的卫星星系在它附近。银河系的质量也影响着它与卫星星系的关系，以及是否有足够的引力将卫星星系束缚在轨道上。对银河系质量的精确测量，也是对宇宙中其他星系质量研究的有益补充和重要参考。

，银河系很难“称重”。因为暗物质不发光，所以不能用望远镜直接观测。我们只能通过其他发光天体在暗物质引力作用下的运动规律来推断暗物质的质量和分布。测量银河系周围暗物质的分布需要银盘外遥远天体的帮助。它们绕银河系运行的时间极其漫长，距离越远越难观测到。可用样本数量少，数据质量差。，与直接测量相比，这种间接 在数据采集和处理过程中必然会带来各种误差，影响“称重”的准确性。这些原因也导致了银河系的质量永远是银河系所有基本物理参数中最不准确的。

（3）尝

面对重重困难挑战和充满未知的暗物质，科学家们不断利用最新的数据，尝试新的 ，试图提高“称量”精度，得到更准确的结果。在过去的20多年间，文献中可以找到不下50组对银河系总质量的测量结果，但这些结果相互之间具有不小的差别，是一个覆盖了0.5万亿至2万亿倍太阳质量的宽泛范围。

计算银河系质量的理论 并不太复杂。根据万有引力定律，可见物质的旋转速度、逃逸速度和速度弥散都可以有效地估计银河系的质量。

在银晕上不同位置的恒星样本在绕银心旋转时，轨道内的质量提供了绕转的速度，如果能够测量速度和距离，结合相应模型，就可以推算出相应轨道内的质量。换句话说，银河系越重，重力对自转的影响越大，恒星穿过圆盘的速度就越快。许多不同团队利用不同样本得到的银河系质量为太阳质量的1万亿至2万亿倍之间。

还有一种 ，科学家在银晕中找到一些超高速星，它们正在以极快的速度飞离银河系，逃出银河系的引力束缚范围。通过对超高速星逃逸速度的测量和运动轨迹的推算，可以给出相应位置的重力势能，从而估计银河系的质量分布和大小。2017年，哈佛大学阿维·勒布教授和他的合作者就利用超高速星样本得到银河系质量在1.2万亿至1.9万亿倍太阳质量范围内。

除了较为传统的 外，2020年底，中国科学院上海天文台郭福来研究员带领的团队，利用银河系周围星系周介质中的热气体温度测量了银河系总质量，是太阳质量的1.2万亿至3.0万亿倍。银河系热气体晕趋于稳定状态后，温度分布受银河系总质量的影响最敏感，即银河系质量越高，热气体晕的温度就越高。

（4）国际合作强强联手取得新成果

天文学相比于其他理工类学科而言，由于研究对象更加遥远，一方面需要更加先进的观测设备，需要不同位置和性能的望远镜协同配合，海量的数据需要更多的合作；另一方面作为纯基础科学研究，不直接产生经济利益，所以天文学研究更加注重国际合作与交流，是最为开放的学科之一。

本次最新的银河系质量测量成果，是由三峡大学、中国科学院国家天文台、澳大利亚斯温伯恩理工大学以及上海交通大学等单位组成的国际研究团队，利用我国郭守敬望远镜的海量光谱和欧空局“盖亚”空间望远镜的高精度自行数据相结合所作出的。郭守敬望远镜是目前世界上光谱获取率更高的望远镜，而“盖亚”空间望远镜则拥有数量更大、精度更高的天体测量数据。

利用中国和欧洲世界领先望远镜获取的数据，研究团队最终精选出1万多颗“均匀”的银晕恒星作为样本，该样本不仅数量多、覆盖范围大（20万光年范围），而且每颗星都精确测定了三维位置、三维速度以及金属丰度。研究团队最终通过两种 测得了较为一致的银河系质量，约为5500亿倍太阳质量。

这一结果表明，银河系可能比先前研究普遍认为的还要再“苗条”一半。这意味着银河系中不发光但产生引力的暗物质比原先估计的要少得多。高质量大样本的数据和两种测量 的互相验证，才有了相较前人精度提高一倍的结果。

延伸阅读

郭守敬望远镜揭示银河系更多细节

“郭守敬望远镜”——大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，是由中国科学院国家天文台承担研制的我国自主创新的、世界上口径更大的大视场兼大口径及光谱获取率更高的望远镜。望远镜坐落于河北省兴隆县，作为中国天文界的之一个国家重大科学工程项目，于2009年6月顺利通过国家验收。2022年9月30日，郭守敬望远镜获取的1660万条光谱和791万组的恒星光谱参数星表向全世界发布，两类数据数量均居国际首位。

郭守敬望远镜海量数据在天体物理学研究的多个领域取得了一系列突出进展。其中在银河系结构与演化研究方面，揭示出银河系许多新的细节获取了迄今为止最为精确的大样本恒星年龄信息，按照时间序列清晰还原了银河系幼年和青年时期的形成演化图像，刷新了人们对银河系早期形成历史的认知；通常认为，银盘有一个清晰的边界，直径10万光年，在郭守敬望远镜的帮助下，现在我们已经清晰地知道银河系至少有20万光年之大；证实银盘并非完全扁平，而是在银盘平面两侧向不同方向弯曲，从而勾勒出银河系翘曲结构的三维空间分布特征，为人类真实地观看银河“炸薯片”结构提供了直接的观测证据。

图片来源视觉中国

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