银河系与其邻居仙女座星系的暗物质探索与发现
近现代天文学的发展历程，始于16世纪哥白尼提出的日心说。这一理论推翻了长久以来的地心说，开创了天文学的革命性进展。17世纪，开普勒基于精确的观测数据提出了行星运动的三大定律；伽利略用自制望远镜发现了木星的四大卫星、月球表面的山脉和太阳黑子等现象，进一步支持了日心说并为天文学的发展提供了大量观测证据。此后，牛顿发表《自然哲学的数学原理》，提出万有引力定律，为后来的天体力学打下了基础，牛顿的“ 苹果”至今被传颂。18世纪，赫歇尔通过改进望远镜，提出了银河系的结构模型；拉格朗日等人对天体轨道进行了数学分析，解释了行星轨道稳定性等问题；梅西耶则编制了著名的“梅西耶星表”。19世纪，贝塞尔报告了对天鹅座61的测量结果，测出自哥白尼以来天文学家长期寻求的恒星三角视差；埃斯特罗姆刊布太阳光谱里谱线的波长，从此便有了常用的天文波长单位(埃)。进入20世纪，天文学迎来革命性进展，爱因斯坦的广义相对论为引力提供了全新视角，爱丁顿提出了恒星能量的来源并验证了爱因斯坦的广义相对论，哈勃的宇宙膨胀发现支持了大爆炸理论，茨威基基于星系团的分析明确提出暗物质概念，其与后期暗能量的假设至今仍是物理学领域的谜团。 暗物质是一种假设存在的物质，无法通过电磁辐射直接观测，构成了宇宙总质量的85%-90%及总质能的27%。尽管尚未直接探测到暗物质，但通过星系旋转曲线、星系团引力透镜效应、宇宙微波背景辐射等观测，天体物理学家已经推测出它在宇宙中的重要作用。随着引力理论的不断修正，量子引力理论与粒子物理观测的持续更新，暗物质的存在、性质及分布长久以来都是现代天文学与物理学的焦点。图1.银河系与仙女座星系艺术想象图。图源：NASA; ESA; STScI。
百年前，柯蒂斯与沙普利就仙女座星系是否为星系的问题展开了公开辩论，最终哈勃的观测结果证明了其是星系，柯蒂斯获胜。此后，伦德马克首次探测到星系的平坦旋转曲线，1978年鲁宾基于光学数据发现多个漩涡星系的旋转曲线呈平坦趋势。几乎同一时期，博斯马通过射电数据发现平坦旋转曲线，并指出气体物质与暗物质的关系。从那时起，漩涡星系（如银河系和仙女座星系）的平坦旋转曲线成为暗物质存在的重要间接证据。
图2.牛顿引力理论期待结果与实际观测的部分星系旋转曲线。图源：维基百科。 进入21世纪，曾布英明在2009年首次探测到银河系外盘旋转曲线的下降趋势(疑似证据)。随着Gaia高精度天体测量巡天的到来，天文学家能用更精确的数据测量银河系盘的旋转曲线。2019年，艾勒斯基于现有数据发现旋转曲线存在明显的下降趋势；同年，姆罗斯团队通过造父变星也观测到类似趋势，进一步暗示银河系的暗物质比例可能低于预期，这推动了笔者及其合作者对银河系和仙女座星系暗物质比例和分布的深入研究。 最近，笔者所在的研究团队利用流体数值模拟与中性氢原子观测数据，考虑了仙女座星系M31的丰富并合历史和非平衡物理过程，揭示出M31的暗物质比例约为68%。这一结果表明，仙女座星系的暗物质可能比之前估计的明显要少，物理质量也低于此前结果的2至4倍，引发了对相关宇宙学问题的深刻反思。
图3.仙女座星系旋转曲线的最新观测与模拟结果分析。图源：巴黎天文台。 2023年，基于最新的高精度的数据，笔者团队克服了Gaia外盘距离精度不足的问题，成功获得了目前最远且最精确的银河系盘旋转曲线，发现旋转曲线呈下降趋势，此结果已得到欧美多个团队的验证。随后该团队还进一步减少了系统误差，首次探测到了银河系外盘旋转曲线可能的开普勒下降趋势，揭示银河系的质量比之前估计值低了2至4倍。
图4.Gaia DR3时代第一条银河系旋转曲线（红色）。
如果将仙女座星系与银河系的暗物质比例进行对比，会发现两者的暗物质比例几乎相同，重子物质的比例约为32%。此外，银河系与仙女座星系的质量也都比以前的估计值低了2至4倍。是巧合，还是揭示了某种深刻的物理原理？笔者带领的“ 物语星源MWLUDPSG”团队将继续探讨这一问题。需要特别指出的是，银河系与仙女座星系是完全不同的动力学系统。银河系在过去几十亿年相对“ 宁静”，而仙女座星系经历了更多的剧烈活动，导致两者的研究方法和思路也有很大不同。银河系的研究主要依赖恒星数据，而仙女座星系则更多采用中性氢数据。尽管数据和方法各异，两个星系的研究结果都表明其暗物质比例低于预期，这一发现令研究团队感到意外和兴奋。 百年前，埃根、林登-贝尔和桑达奇提出的“ 银河系气体坍缩模型”引发了广泛讨论。尽管这一理论最终被皮布尔斯与奥斯特里克等人提出的“ 等级形成模型”基本取代，但这一辩论不仅深刻影响了当时的天文学研究，也为后来的天文观测和计算模拟奠定了基础。 回顾历史，我们积累了大量关于银河系和仙女座星系形成与暗物质分布的研究成果。站在当前的视角，面对关于这两大星系的各种问题与讨论，未来借助新技术和数据(如：LAMOST, FAST, CSST, MUST, LHAASO)，我们将有机会深化对银河系、仙女座星系及邻近宇宙暗物质的理解。无论最终结论如何，这些探索都将拓展我们对天文学和物理学的认知，推动我们走向更加辉煌的未来。
*备注：“物语星源计划（MWLUDPSG）” 全称为 “Mapping the Milky Way-Local Universe Disk Population Structures and GalactoSeismology”，是一项基于巡天数据与理论模型的长期科学计划。其目标是通过星系动力学、流体力学与统计物理，系统研究银河系及近邻星系盘的结构与起源，揭示星系盘生态系统的物理规律，深化对暗物质本质的理解，并推动解决近场宇宙学危机。该计划的系列成果已多次被国际天文学联合会（IAU）研讨会及其他国际学术会议选为口头报告或邀请报告。
参考文献：Zwicky, F. Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln. Helvetica Physica Acta. 1933, 6, 110Lundmark, K. 1925, MNRAS, 85, 865Rubin, V. C., Ford, W. K., Jr., & Thonnard, N. 1978, ApJ, 225, L107Bosma, A. 1978, PhD Thesis, University of Groningen, The NetherlandsSofue, Y., Honma, M., & Omodaka, T. 2009, PASJ, 61, 227Eilers A.-C., Hogg D. W., Rix H.-W., Ness M. K., 2019, ApJ, 871, 120Mroz, P., Udalski, A., Skowron, D. M., et al. 2019, ApJ, 870, L10Chemin, L., Carignan, C., & Foster, T. 2009, ApJ, 705, 1395Hammer F.,et al., 2025, A&A, 694, A16Planck Collaboration VI. 2020, A&A, 641, A6 Chrobakova, Z., Lopez-Corredoira, M., Sylos Labini, F., Wang, H. F., & Nagy, R. 2020b, A&A, 642, A95Wang, H.-F., Chrobakova, Z., Lopez-Corredoira, M., et al., 2023, ApJ, 942,Jiao, Y., Hammer, F., Wang, H.-F., et al. 2023, A&A, 678, A208Ou, X., Eilers, A. C., Necib, L., & Frebel, A. 2024, MNRAS, 528, 693Wang, H.-F., Hammer, F., Yang, Y.-B., et al. 2022, ApJL, 940, L3Wang G.-Y., Wang, H.-F., Luo Y.-P. , Ting Y.-S., Tepper-Garcia T., Bland-Hawthorn J. , Carlin J.-L., et al., 2024, ApJ, 974, 219Eggen, O. J., Lynden-Bell, D., & Sandage, A. R. 1962, ApJ, 136, 748Ostriker, J. P., & Peebles, P. J. E. 1973, ApJ, 186, 467Einasto J., 1965, Trudy Astrofizicheskogo Instituta Alma-Ata, 5, 87Ibata, R., et al., 2001, Nature, 412, 49Navarro, J. F., Frenk, C. S., & White, S. D. M. 1997, ApJ, 490, 493
作者简介
王海峰，意大利帕多瓦大学博士后研究员。中国科学院国家天文台天体物理学博士(2018)。国际天文学会“ Local Universe”科学组织委员会委员。致力于“ 物语星源计划-MWLUDPSG”科学问题的研究。方向集中在银河系与近邻宇宙的星系震动学、星系考古学; 宇宙中星系盘系统的星族结构动力学; 暗物质本质; 以及时域天文与星系物理的交叉研究等。曾经发表文章约50篇，H因子23，主持中国博士后科学基金特别资助和C类青年基金项目。
主编：陈孝钿
审查：何嘉
审核：田斌
审批：陆烨
《中国国家天文》2025年2月刊
国际刊号：ISSN 1673-6672
国内刊号：CN11-5468/P
邮发代号：80-602
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