测量银河系的方法

当天文学家们开始研究星系（如我们所在的银河系）时，就遇到了暗物质的问题。如果我们从外部观察银河系的结构，会看到一千多亿颗恒星位于银河盘面。大多数恒星集中于银河盘面的中央附近，在银河系核心和银河系盘面核球的周围。在银河盘面的上方和下方，有几百个分散的球状星团和一个广大、暗淡的圆形区域，称为银晕。

NASA/内德•赖特（Ned Wright）供图 我们所在的星系——银河系

对银河系进行研究时，天文学家们希望测量星系和星团的质量以及质量分布状况。但对于像星系这样大的物质，您无法给它“称重”——您必须通过其他办法来测知其质量。一种办法是对光强度或发光度进行测量。发光度与恒星的质量有关（发光度越大，质量就越大——参见恒星探秘）。通过测量发光度，我们了解到在太阳的轨道和银河系中心之间约有150亿个与太阳发光度相当的发光体（与太阳的质量相当）。

另一种办法是通过银盘的旋转来测量银河系的质量。请您想象银河系正在像CD或者旋转木马那样旋转，而您则从其侧面进行观察。在银河系中，恒星距离中心的位置各有不同。有些恒星正在远离我们，而另一些恒星正在向我们靠近。我们可以利用多普勒效应，通过测量恒星发出的光来测定其运动速度和方向。然后就可以记录下离银河系中心不同距离的恒星的速度，由此画出银河系自转曲线。

多普勒效应 正如消防车在远离我们时，其警笛声的音调会变低一样，恒星的运动也会影响我们接收到的光波波长。这种现象被称为多普勒效应。我们可以通过测量恒星光谱的谱线并将其与一盏标准灯的光谱进行比较，来测算多普勒效应（参见光的原理和恒星探秘）。测得的多普勒频移量能告诉我们恒星相对我们的运动速度。另外，还可从多普勒频移的方向得知恒星的运动方向。如果恒星的光谱产生蓝移，则恒星正朝我们移动。如果发生红移，则恒星正离我们远去。

从自转曲线可以得知银河系质量分布的状况。如果银河系与我们的太阳系相似，同样是质量集中于中心，则中心的引力比较强（引力随距离递减）。因此，距离中心轨道较近的天体速度比较远的天体要快，就好像旋转中的滑冰选手把手夹紧时（即手离其身体中心较近时），其旋转速度最快。因此，我们推测距离银河中心越近的天体旋转速度就越高，并且由于距离的影响，银河系自转曲线将随距离增加呈指数级下降。

然而，下一页我们将谈到，天文学家们发现事实并非完全如他们所推测的那样。