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银河,原来你的身材还这么妖娆

来源:光明网2019-04-25 17:25

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  又到了春夏之交的时节,凉爽的晚风中在户外溜达非常惬意。落霞退尽之后抬头看天,可能会依稀看见几个闪烁的星星。除了月亮,城里的人们大概只能看到几颗非常亮的星星。按季节和时间,他们很可能是太阳系里的大行星,金星、火星、木星或者土星。这个季节在城市的灯光背景下,肉眼几乎看不到恒星,但用相机还是可以拍到星星的。比如在首都北京的中心地带,非常晴朗的夜晚也是可以看到(或者拍摄到)星星的(见天文摄影师叶梓颐的博文→北京到底能不能看到星空?让我们用事实说话!)。夜空中最美丽的景象是布满繁星的天幕中,那一挂明暗交错、深邃而迷幻的银河。这个季节,在没有灯光背景影响的地方,你可以在入夜后不久看见这种景象从东边的地平线冉冉升起(见作者先前的文章→初夏时节,陪你细数星辰)。

银河,原来你的身材还这么妖娆

图1. 倒悬的银河。本文作者于2018年9月份拍摄于青海冷湖

  我们看见的银河,实际上就是我们所处的星系-银河系的盘状结构一部分。因为我们身处其中,地球的自转运动和地球绕太阳的公转运动带着我们在不同的季节,不同的时间,看到不同的部分。而在北半球最引人入胜的是夏季看到的靠近银河系中心的那一段(如图1)。在同一个时刻,银河系可见的区域横跨整个天幕,如果用鱼眼镜头或者用拼接的方法,可以得到一幅非常壮观的画面(如图2)。

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图2. 月光下的雅丹和银河拱门。本文作者于2018年9月份的一个下弦月夜,拍摄于青海省海西州冷湖鄂博梁雅丹景区。这是一幅由24幅手机照片拼接的全景,拱门横跨整个夜空,十分壮观。

  天文学观测研究告诉我们,银河系从远处看是一个盘星系。从顶上往下看是图3左图 的样子,如果从侧面看是图3右图的样子。这是关于银河系的教科书图像。银河系除了我们看到的“银河”,也就是盘,还有如图3中所示的核球、棒、晕这些组成部分。银河系还有质量巨大的暗物质晕,但暗物质是不能被直接看到的。我们看到银河带之外的漫天繁星,其实就是密度比银盘小很多的恒星晕。包裹银河系盘的除了恒星晕,还有一个质量和体积都很大的热气体晕,其质量占银河系除暗物质之外总质量的1/5。

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图3. 银河系结构的示意图。左图为顶视图,右图为侧视图

  上面说到的是银河系经典的图像。对这幅图像仔细的刻画是现代天文学研究的前沿领域,不少发现还是很新奇的,有的甚至会改变之前的认知。《自然-天文》今年正月初一刊登了一篇国家天文台团队的科学论文就是与我们所了解的“银河”直接相关。这是一篇引起了公众极大反响的科学研究工作。之所以产生这样的影响,是因为人们可以看到部分银河,却无法看到银河系的全貌,因此人们可以自由想象。这个科研成果与银河系相关的是图3右图中的银盘,我们第一次用恒星作为探针,证实其中的盘不是平直的,而大概是左上翘右下弯的!

  银盘是银河系绝大部分恒星,和几乎全部的冷气体和尘埃的居所,密集的恒星构成了一条横梗天际的“银河”,尘埃部分看起来就是其中的那些带状的阴暗部分。把这些加一起的总质量仅占银河系的10%左右。而且银河系中央有一个大黑洞,可惜前段时间给这个黑洞照的标准像还在冲洗中,因此我们还不能一睹其芳容。这些构成盘结构的恒星、气体和尘埃,必须保持某种绕银河系中心的转动,转动产生的离心力就可以平衡朝向银河系中心的总引力,从而维持其稳定。

  最为直观的物理常识告诉我们,这个盘象一张烙饼似的,是平坦的。这种认识当然是基于银河系引力势接近完美的对称性而得到的。然而,这个对称性却并不完美。一方面是环境的因素,包括现有的和先前历史;另一方面是内部结构上的原因。

  所谓环境因素,是银河系周围还有一些矮星系的存在。我们现在也可以看到,如在南半球肉眼可见的大、小麦哲伦星系。在银河系形成的历史上,周边的小星系与银河系发生了相互作用(被银河系吞噬了),在不同的时刻融入了银河系的大结构中。无论是现在依然存在的还是已经完全融入银河系的小星系,他们都会在一定程度上破坏前面说到的对称性,从而扭曲原本该平坦的银河系盘。

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图4. 仙女座大星系M31 Laubing拍摄于丽江双子天文台

  那么,银河系内部又有什么东西能驱使平直的银盘变形呢?首先,最大尺度上的平坦结构是我们忽略了恒星和其它可见物质分布上的非均匀性。实际上银盘并不是均匀的,其中还存在着旋臂这样的结构。正是因为旋臂的存在,我们把银河系叫做漩涡星系,其远观的图像跟同类的其它星系可以类比,比如仙女座大星系(图4)。当我们向银河系中心看,球对称性很好的核球中还嵌埋了一个巨大的棒状结构。因此,银河系被叫做棒旋星系。这个核球包裹的棒直到上世纪九十年代才被证实,其存在对银河系的结构有很大的影响。

  前面提到的那个重要科研成果,就是通过对恒星的观测直接证实了银盘存在翘曲。银盘的翘曲可以用一个浅的S形状描述,也就是说银河系的盘不是平坦的一张饼,而是有优美的曲线,而且因存在进动而显得似乎是在扭动。想象一下,在漫长的时间尺度上,银河不仅身段优美而且舞姿撩人,如果能够远观我们的银河系,这应该是一幅多么迷人的景象啊。下面的一段视频是上海天文台沈俊太研究员提供的数值模拟结果,完美地诠释了翘曲及其进动产生的原因。

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图5. 银盘翘曲结构的数字模拟 上海天文台沈俊太研究员提供

  要一窥银河系曼妙的身材和舞姿,对于身处银河系内部的我们不是那么容易。所幸宇宙中有海量数目的各种星系,其中不难找到跟银河系相像的姐妹,我们可以从远距离上打望她们侧身的倩影,如图5(SDSS星系形态,侧向盘星系图集)。那些身段也是没朋友了!

  银河系盘细致形态的曼妙是怎么被看到的呢?这个嘛,真的很费劲。专业一点的读者可以去看看我们发表在《自然-天文》上的文章(可点击下方阅读原文查看)。当然,这其中的困难是绝非“只缘身在此山中”可以说清楚的,有心的读者可以锁定国家天文台科普公众号,我们另有文章专门给您细细讲述。

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图6. 河外星系中的侧向漩涡星系图例,翘曲的星系盘形态各异

  作者:邓李才,系中国科学院国家天文台研究员,恒星与恒星系统研究团组首席科学家,主要研究领域为恒星物理。

[ 责编:蔡琳 ]
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