太阳系的“运动量”是啥？是不是称？他们找来研究者聊一聊_有用的涨知识网

北京青年报应用程序 | 记者王鸿良

一支国际合作项目组近日借助我国杨辉干涉仪以及美尾爱神内部空间干涉仪的数据，精确量测出月亮系的产品质量为5500万倍的月亮产品质量。该结论与国际其他项目组量测的平均值（约1万万倍月亮产品质量）相比，小了超过一半，量测结论的精度却基本上翻倍。人类文明是如何一点一点重新认识他们所处的月亮系的？对于月亮系产品质量的量测有什么样重要价值？物理学家又发明了什么样巧妙的称量方法？他们邀请阿蒂希县助理研究员、天文学学博士王磊一起来谈谈这件事。

ESA2022年6月13日发布的借助爱神内部空间探测器绘出的月亮系布季夫地图。

中国科学院国家天文学台东兴观测所里的杨辉干涉仪。

（1）从棒果开始探知月亮系马萨省

Pois飞龙，光彩夺目，人类文明从仰望天空的那一刹那，便对天空中光亮黑白相间——飞龙展开了无穷无尽想象，中国古代认为它是分隔梁祝的三水，西方则认为它是天燕座的乳汁形成的安达。而随著近代天文学干涉仪的出现，人类文明也开始慢慢从科学的角度一点一点重新认识飞龙。

17世纪末初，伽利略第一次将干涉仪指向天空，辨认出淡淡的飞龙其实是由无数颗行星共同组成的，开启了人类文明借助天文学电子设备研究月亮系的大门。那月亮系在天空中究竟是什么样子呢？18世纪末后期，英国物理学家威廉·赫歇耳花费十余年时间，用干涉仪将天上的星星数了一遍，并记录下它们分布的位置和数量，图画出了速写月亮系画像，揭示出月亮系是一个接近细长的内部结构。

随著大型干涉仪电子设备的发展，通过开普勒等几代物理学家的努力，目前人类文明已经重新认识到，月亮系看起来是一个细长的球状内部结构，主要由三部分共同组成：盘子的服务中心部分是突起的光亮旋臂；旋臂往外延伸是截叶，绝大多数的行星聚集于盘上；截叶西向还有一个很稀疏的球状内部空间，被称为河外星系。他们所在的月亮系位于月亮系服务中心2.6亿光年远的地方，由于电磁力作用，围着月亮系服务中心德博瓦桑县。

提到行星绕着月亮系服务中心转动，生物学家们却辨认出了反常的现象。通过量测月亮系服务中心以外不同距处化学物质的德博瓦桑县速率，可以绘出出月亮系的转动图象。按照月亮系中由此可见化学物质的观测范围，在距月亮系服务中心半径5亿光年外，就基本上看不到有行星和尘埃气体存在了，换句话说，那个距外量测到的化学物质德博瓦桑县速率，应该逐渐减小才对。但实际量测结论却令生物学家大吃一惊，在月亮系由此可见边界的西向，化学物质的德博瓦桑县速率不降热情高涨，这并不符合牛顿的电磁力定律。仿佛有一只看不见的手，在支撑着月亮系西向化学物质绕银心高速转动。不仅仅是月亮系，很多其他星系团也辨认出了类似的转动曲线，生物学家就此引入了中微子的猜想。

（2）给月亮系称量操作举步维艰

物理学家们之所以非常重视对月亮系称量，最核心的还是因为月亮系的运动量与中微子密切相关，而中微子又对星系团形成演化和周围环境化学物质产生重要影响。

月亮系的一部分产品质量由由此可见化学物质共同组成，也就是能够用各个波段干涉仪探测到的行星、气体和尘埃等，比如目前他们已知月亮系中大约有1000亿至4000亿颗行星，它们的产品质量占整个由此可见化学物质的96%，剩下3%是气体，1%是尘埃，这一部分产品质量大小和分布范围在各种干涉仪探测下已经相对比较明确。而剩下不由此可见的中微子，究竟产品质量有多少，具体是如何分布的，因为与月亮系很多性质密切相关而备受生物学家关注。

首先，月亮系产品质量尤其是中微子产品质量的大小和分布情况，对研究月亮系的起源和演化非常重要。其次，月亮系周围，还存在很多离它较近产品质量较小的卫星星系团，月亮系产品质量的多少，也影响着它与卫星星系团的关系，以及能否有足够的引力将卫星星系团束缚在轨道上。对月亮系产品质量的精确量测，也是对宇宙中其他星系团产品质量研究的有益补充和重要参考。

然而，给月亮系称量真正操作起来却是举步维艰。因为中微子不发光，无法借助干涉仪直接观测，他们只能借助其它发光天体在中微子引力作用下的运动规律来推断中微子的产品质量和分布。量测笼罩在月亮系周围的中微子分布情况，更多需要借助截叶之外的遥远天体，它们环绕月亮系运动一圈的时间极其漫长，而且距越远越难以观测，可用的样本数量少、数据产品质量差。此外，与直接量测相比，这种间接手段必然会在数据收集和处理过程中带来各种误差，影响称量的精度。这些原因也导致月亮系产品质量一直是月亮系所有基本物理参数中最不准确的一个。

（3）尝试多种方法量测月亮系产品质量

面对重重困难挑战和充满未知的中微子，生物学家们不断借助最新的数据，尝试新的方法，试图提高称量精度，得到更准确的结论。在过去的20多年间，文献中可以找到不下50组对月亮系总产品质量的量测结论，但这些结论相互之间具有不小的差别，是一个覆盖了0.5万亿至2万万倍月亮产品质量的宽泛范围。

计算月亮系产品质量的理论方法并不太复杂。根据电磁力定律，由此可见化学物质的转动速率、逃逸速率和速率弥散都可以有效地估计月亮系的产品质量。

在河外星系上不同位置的行星样本在绕银心转动时，轨道内的产品质量提供了德博瓦桑县的速率，如果能够量测速率和距，结合相应模型，就可以推算出相应轨道内的产品质量。换句话说，月亮系越重，重力对自转的影响越大，行星穿过圆盘的速率就越快。许多不同项目组借助不同样本得到的月亮系产品质量为月亮产品质量的1万亿至2万万倍之间。

还有一种方法，生物学家在河外星系中找到一些超高速星，它们正在以极快的速率飞离月亮系，逃出月亮系的引力束缚范围。通过对超高速星逃逸速率的量测和运动轨迹的推算，可以给出相应位置的重力势能，从而估计月亮系的产品质量分布和大小。2017年，哈佛大学阿维·勒布教授和他的合作者就借助超高速星样本得到月亮系产品质量在1.2万亿至1.9万万倍月亮产品质量范围内。

除了较为传统的方法外，2020年底，中国科学院上海天文学台郭福来研究员带领的项目组，首次借助月亮系周围星系团周介质中的热气体温度量测了月亮系总产品质量，是月亮产品质量的1.2万亿至3.0万万倍。月亮系热气体晕趋于稳定状态后，温度分布受月亮系总产品质量的影响最敏感，即月亮系产品质量越高，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电子设备，需要不同位置和性能的干涉仪协同配合，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。

本次最新的月亮系产品质量量测成果，是由三峡大学、中国科学院国家天文学台、澳大利亚斯温伯恩理工大学以及上海交通大学等单位共同组成的国际研究项目组，借助我国杨辉干涉仪的海量光谱和美尾爱神内部空间干涉仪的高精度自行数据相结合所作出的。杨辉干涉仪是目前世界上光谱获取率最高的干涉仪，而爱神内部空间干涉仪则拥有数量最大、精度最高的天体量测数据。

这一结论表明，月亮系可能比先前研究普遍认为的还要再苗条一半。这意味着月亮系中不发光但产生引力的中微子比原先估计的要少得多。高产品质量大样本的数据和两种量测方法的互相验证，才有了相较前人精度提高一倍的结论。