在混乱的宇宙中寻找秩序

熨斗研究所的天体物理学家Adrian Price-Whelan研究银河系中恒星的混沌运动。他的使命?去寻找宇宙中保存最好的秘密之一。

Adrian Price-Whelan是熨斗研究所计算天体物理中心的副研究员。 来源:约翰·斯莫克

银河系中有黑暗的力量在起作用。有些太黑了,几乎能躲过所有的探测。但是有了创新的技术,天体物理学家Adrian Price-Whelan开始揭示宇宙深处潜藏着什么。

作为一个熨斗研究所副研究科学家Price-Whelan利用银河系中的恒星来寻找暗物质的线索。这种神秘的物质是天文学家在1933年首次发现的,它比我们在宇宙中看到的所有东西都要重6倍。通过绘制恒星群的运动图,普莱斯-惠兰可以研究暗物质是如何塑造我们的星系的。这项工作还帮助天文学家了解遥远星系的动力学,这些星系离我们太远,无法像我们自己的星系那样近距离研究。

普莱斯-惠兰于2019年加入熨斗研究所,成为熨斗研究所的成员银河动力小组计算天体物理中心(CCA)。在此之前,他在哥伦比亚大学获得天文学博士学位,并在普林斯顿大学担任莱曼·j·斯皮策博士后研究员。

他最近接受了西蒙斯基金会的采访,谈到了他的工作和暗物质必威注册网站的奥秘。为清晰起见,以下对话经过了编辑。

你的研究重点是什么?

我和CCA银河动力学小组的一群博士后一起研究我们的家园银河系。我们正在研究如何利用恒星运动的信息来得出关于暗物质的性质和整个宇宙中星系的性质的一般性结论。银河系是唯一一个我们可以详细研究的星系。通过研究银河系,我们希望把它当作一块罗塞塔石碑,然后我们可以用它来观察其他更难看到的星系。

从历史上看,天文学家已经根据必要但简化的星系动力学假设进行了模拟和分析数据。一种常见的假设是,银河系处于稳定状态,这意味着就其广泛的性质和恒星运动而言,它总是看起来像现在这样。但在过去10年左右的时间里,范式发生了转变,因为我们现在意识到,我们看到的到处都是不平衡和无序的特征——比如星系中的翘曲、旋臂、星系中恒星的奇怪运动和大规模运动——实际上是非常重要的。所以现在我们正试图弄清楚这种混乱告诉我们银河系的过去。

这种紊乱能揭示什么?

无序可以告诉我们的一件事就是暗物质。暗物质,顾名思义,不能直接看到,因为它不与光相互作用。然而,我们推断它的存在是因为我们看到了恒星运动的不规则性,这表明存在一些看不见的大质量。通过研究这些运动中的不规则性,我们可以更好地了解暗物质是什么,它在哪里,可能有多少。

我研究暗物质的方法之一是观察形成恒星流的恒星群。恒星流中的恒星曾经是星团状的,但经过千万年的时间,星系的引力把它们分散开来,形成了一条长长的恒星河。因为与星系的大小相比,这些恒星流的宽度非常小,所以它们对暗物质的小尺度方面很敏感。通过观察银河系周围流中的不同特征,我们可以研究暗物质的特性,这是任何其他方法都无法达到的。

我研究暗物质的另一种方法是利用银河系近盘的无序特征。最近,一项名为“盖亚”的银河系恒星观测调查显示,在银河系圆盘的某些区域,恒星的运动中存在美丽的螺旋图案。与整个星系相比,这是相当小的——只有几千光年的典型尺寸——但这是一个令人惊讶和有趣的发现。我一直在研究动力学模型,以弄清楚这些特征是如何形成的,以及它们告诉我们的关于暗物质局部分布的信息。

这些特征是如何形成的?

我们认为像这样的螺旋形特征是由于我们的星系和其他较小的星系之间的相互作用。例如,如果一个较小的星系落入银河系,它会拉扯我们的星系并引起振荡,就像你仔细观察刚刚被击中的鼓的头部一样。这导致恒星上下振荡,从而在恒星的位置和运动中形成螺旋形。

从我们的模拟中,我们知道这些螺旋随着时间的推移会变得更紧。这有助于我们弄清楚一个星系可能在多久以前穿过。我们还知道,螺旋的形状取决于星系中暗物质的数量。

如何研究这些特征?

我的工作是处理大量的数据目录,其中包含诸如恒星的属性、位置、运动方式以及亮度等信息。我观察的很多特征都很微妙——如果你观察一组恒星,它们不是你首先看到的。这意味着我所做的大部分工作是统计建模,在我们研究发生的事情的细节之前,删除我们不想要的前景内容。