在太陽處,銀河係的自轉有多大?
從兩個世紀前威廉·赫歇爾第一次證實銀河係的結構後,有些天文學家就從恒星係的形狀像個扁平的盤子出發,推測它有可能在空間不停地旋轉。因為根據牛頓力學原理,快速旋轉的物體不可能是球狀的,連固體的地球也因為自轉而成為一個赤道部分稍稍往外鼓出的扁球,所以銀河係的扁平形狀很可能是它快速自轉引起的。
推測不能算數,還要有觀測事實作依據。俄國天文學家斯特魯維首先考慮到了這一點,19世紀中葉,他想利用恒星自行的數據來研究銀河係的自轉,但是由於相關資料太少,精度又低,所以未果。
1904年,荷蘭天文學家卡普坦在觀測和分析了恒星運動的資料後,發現恒星除了太陽運動引起的視差外,它們的相對運動,即恒星自行不是雜亂無章的,而是朝著兩個相反的方向運動,也就是說,在銀道麵內存在著彼此相背而行的兩大星流,這種現象叫做“二星流”現象。當時不少天文學家對“卡普坦星流”進行了研究,但沒有給予確認,卡普坦也未能對這一現象作出正確的解釋。但是,“二星流”現象的發現卻為後來探索銀河係自轉作出了貢獻。
進入20年代,有關銀河係自轉的研究又活躍起來,有好幾位大文學家在這方麵作出了貢獻,如瑞典的斯特龍貝格和林德布拉德,都曾根據自己的觀測和研究提出了銀河係自轉的假說,但其中最有成就的是荷蘭天文學家奧爾特。
在前人分析研究的基礎上,奧爾特首先論證了銀河係的“較差自轉”。他指出,銀河係不是一塊固體,它基本上由無數單個的恒星組成,所以它的自轉與固體的輪子不同。輪子是整體的旋轉,所有各點的角速度都相同,線速度則隨離輪心距離的增加而按比例增大。銀河係是較差自轉,即靠近銀河係引力中心的那些恒星,比離得遠的恒星旋轉得快一些,也就是說,在旋轉中,靠近銀心(即人馬座方向上)的那些恒星,相對於我們太陽來說應該有超前移動的趨勢,而遠離銀心(與人馬座方向相背,即雙子座方向上)的恒星則有後退的運動。這恰恰是20多年前卡普坦發現的“二星流”現象。
1927年,奧爾特接著又論證出了銀河係較差自轉對太陽附近恒星自行和視向速度的影響的公式(又稱奧爾特公式),並通過對一些恒星視向速度的觀測和分析,證實了銀河係在自轉,即銀河係中的恒星和星際物質都在繞著銀河係的中心作快慢不等速的轉動。
射電天文學興起後,天文學家又觀測到了銀河係內有中性氫原子發出的射電輻射,根據它們譜線的位移(紅移或紫移),可以求得中性氫的視向速度,從而推算出它們的自轉速率。
我們知道了銀河係的自轉方式:在銀核和靠近銀核部分的區域,它固體的自轉相仿,自轉的線速度與離銀心的距離成正比;銀河邊緣的區域,同行星繞太陽旋轉的方式相似,按開普勒定律運動,離銀心越遠,速度越慢。太陽繞銀心旋轉的速度是每秒約250千米,這個速度比步槍射擊子彈的速度還快250倍,盡管如此,它繞銀心旋轉一圈仍需2.5億年!
銀河係內各部分旋轉速度的大小,是由其中引力的分布決定的,而引力的分布又同物質數量的分布有直接的關係,為此,可以根據銀河係的旋轉求出銀河係的質量,如同可以根據行星的運動推算太陽的質量一樣。已經測知銀河係的總質量為1 400億個太陽質量,而太陽在銀河係中是一顆中等質量的恒星,所以不妨可以認為銀河係中包含有大約1 500億顆恒星,這個數字要比當年威廉·赫歇爾估計的數字高出上千倍。
銀河係的總質量指的是銀核和銀盤的質量之和。銀盤外麵還有一個龐大的包層——銀暈,其中的質量主要集中在為數不多的球狀星團裏,其餘就是非常稀薄的星際氣體。雖說銀暈的體積超過銀河係主體部分體積的50多倍,但它包含的物質質量估計隻有銀河係總質量的1/10。不過,近年來由於天文學家發現銀河係中存在著大量看不見而沒有被估計進去的“暗物質”,所以關於銀暈物質數量的估計,現在又成了一個懸而未決的問題。
70年代,前蘇聯天文學家在銀河係外其他一些星係的外圍,發現有一個更大的包層——星係冕。由星係冕聯想到銀河係冕,經過探索,證明“銀冕”確實存在。銀冕包在銀暈之外,沒有星體,物質分布極為稀薄,但它體積極大,所以質量要比銀河係大10倍左右。這個發現意義重大,因為它使人們對宇宙物質的存在形態有了新的認識。過去人們隻知道有凝集狀態的星體,彌漫狀態的物質即使有也不會很多,但現在這個認識可能要倒個個兒,即宇宙物質的大部分可能處於看不見的彌漫狀態,而形成恒星或恒星係統可見物質的反倒隻占其中的小部分。
答:太陽處銀河係自轉的角速度為每年0.0053″,線速度為220千米/秒,自轉周期約2.5×108年。