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来吧,和银河系的恒星一起做运动

来源:光明网2018-05-29 19:09

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    来吧,和银河系的恒星一起做运动

    恒星在银河系盘面上不均匀地分布着,它们在不同半径处绕转银心运动时速度相差无几,但它们自身也有一定的随机运动。那这个随机运动有规可寻吗?科研人员利用郭守敬望远镜(LAMOST)和Gaia卫星的数据研究了这些恒星的物理机制。本期,我们特邀俞锦程博士后进行科学解读。

    在晴朗的夏夜,我们一抬头便可以望见一条银白色的带子挂在空中,因其似河,古人称之为银河,而西方人则称之为牛奶路(Milky Way)。这些不同的称谓也体现了彼时人们对银河的认识与猜测。

来吧,和银河系的恒星一起做运动

    图1. LAMOST上的银河拱桥 陈颖为拍摄

    人们对银河与宇宙的认识逐渐加深,时至今日,我们已知银河系包括了上千亿颗恒星,我们所在的太阳系就位于银河系中。

    银河系是个棒旋星系,其中央是个类似“棒”的结构,其外则是个“盘”,出了银河系中心区域,外围的大部分恒星都集中在薄薄的盘面上。银盘厚度约为1-2千秒差距,作为比较,银盘最远可以延伸至距离银心接近20千秒差距。

    恒星并非均匀地分布在银盘上,在某些区域会密集些,某些区域稀疏些,这些密集的区域宛如一条条的旋臂,而旋臂结构的出现又深刻影响了银盘的运动学性质。

来吧,和银河系的恒星一起做运动

    图2. 银河系结构(示意图)

    尽管银盘上的恒星在盘面上分布并不均匀,但是它们都以一个相对恒定的速度绕着银河系中心旋转,即使距离银心不同半径处的速度也都相差无几。而各个恒星或多或少地偏离这个绕转速度,有些恒星运动得更剧烈,而有些恒星则显得比较平静。因此,盘上的恒星除了一个整体的绕转运动,还表现出一定的随机运动。

    那么,恒星偏离整体绕转速度是完全随机、无规律的吗?年轻人好动,老年人好静,然而,这些恒星的表现恰恰相反。天文观测表明,盘上恒星的随机运动强弱随着年龄的增加而增加。

    有些科学家通过比对其它年轻的星系,认为银河系早期盘上的气体湍动更强,此时形成的恒星“继承”了气体分子的剧烈的随机运动,也显得更“好动”;而年轻的恒星形成之时,盘上气体的湍动较小,它们的运动显得更为整齐划一。

    而更多科学家认为,不同年龄的恒星在形成之时,具有相似程度的随机运动,它们的差异是由动力学效应造成的。

来吧,和银河系的恒星一起做运动

    图3. 恒星在分子云中形成时的随机运动(示意图)π 绘制

    天文学家发现银盘上的旋臂以及银盘附近的巨分子云会显著地增强盘上恒星的随机运动。可以想见,年老的恒星经历了更长时间与旋臂和巨分子云的相互作用,它们的随机运动得以大大增强,而年轻恒星更多保留了它们出生时的印记。

来吧,和银河系的恒星一起做运动

    图4. 不同年龄恒星的随机运动(示意图)π 绘制

    天文学家通常把恒星的随机运动类比为气体的热运动,恒星随机运动越强,代表它们越“热”,因此,人们也把这个动力学效应称为银盘的加热机制。

    验证这些想法很自然的手段就是直接分析不同年龄恒星的随机运动情况。然而,这些好动的恒星在地球上看来却几乎是恒定不动的,即使借助普通的望远镜,我们能得到的速度也有很大的误差。

    国家天文台的研究人员借助LAMOST和Gaia卫星的数据,精确地计算出了恒星的速度,从而分析出了不同年龄恒星的随机运动的强弱。他们的结果很符合银盘的加热机制,也验证了大部分科学家的观点。而随着Gaia的进一步观测,我们相信,更多关于银河系结构与演化的奥秘会逐步得以解开。

    作者简介:

    俞锦程于2012年获得中国科学院上海天文台博士学位,2012至2016年期间在智利天主教大学从事博士后工作,2016年成为国家天文台LAMOST冠名博士后。他的主要研究方向为星团的动力学演化以及银河系结构与演化。

    本期编辑:邵婷

    论文来源:https://arxiv.org/abs/1712.03965

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