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曲终星散终有时 银河系并不安分?

来源:光明网2020-01-02 18:00

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  “银河初转水横流,星史人催报晓筹”,牛郎织女浪漫约会的银河不知牵动了多少人的心弦?漫步在星空下,不禁思索,这璀璨的星河到底有多少未知等待我们去探索?

曲终星散终有时 银河系并不安分?

  图一:冬季人眼可见的位于青海的银河“拱桥”(拍摄者:邓李才)

  仰望星空,你或许会问,银河系结构是什么样子的?银河系里到底有多少恒星,它们每时每刻进行着怎样的运动,是否有规律可循?正是这些问题牵绕着一代又一代天文学家在科学的道路上不断前行,揭开了一个又一个深邃宇宙的真相,推动着一个又一个天文知识的革新。

曲终星散终有时 银河系并不安分?

  图二:银河系的侧视图与俯视图,以及穿过她的星流(图片取自网络)

  银河系主要包含银心与凸起的核球、带着旋臂的银盘、以及弥散在银盘周围的银晕三部分,其中银盘是银河系的主要组成部分,银河系的发光物质中,至少有九成都在银盘范围以内。

  起伏的盘星队伍

  多年前,天文学家已经发现银盘上太阳附近的恒星很不安分,除了绕着银心做公转运动外,经常你来我往,四处溜达。2018年,笔者所在研究团队通过对银盘上的恒星进行分析,第一次在超越太阳1.6万光年的范围内, 从速度的角度看到银河系里恒星不安分的一面,银盘上的恒星运动如同水波一样起起伏伏,呈现星波荡漾的恒星队形。

曲终星散终有时 银河系并不安分?

  图三:银河系在不同方向的恒星运动方向示意图(绘图:charcoal)

  如图三所示,两个恒星队伍(运动子结构)展示了银盘上太阳附近及距离太阳1.6万光年远的恒星运动特点。左边是一个称为“北近结构”的恒星队伍,向人类清楚展示出他们在银心水平方向上的运动趋势;右边的恒星队伍是一组在太阳附近的不对称结构,图中展示了这里的恒星在垂直方向上的步伐特点。

  除了运动的特点,这些恒星芳龄几许?是银盘上精力旺盛的年轻族,还是步入暮年的老寿星?这样的两个恒星队伍是否一直聚合在一起保持着这样的非对称运动?它们背后承载着怎样的科学故事?一系列的问题引起了研究人员对这两个恒星队伍足够的好奇。

  刚刚过去的2019年可谓是一个天文数据丰收年,郭守敬望远镜(LAMOST)获取光谱数达到1000多万,成为世界上首个突破千万量级的光谱巡天项目,欧空局盖亚卫星(Gaia)也释放了约10亿颗恒星的切向速度信息,机器学习的手段为获取百万恒星的年龄数据提供了支持,如此丰富的资源助力天文学家继续对银盘上这两个有趣的恒星队伍开展了进一步研究。

曲终星散终有时 银河系并不安分?

  图四:LAMOST与银河(拍摄:袁凤芳)

  曲终星散待何年?

  经过对距离太阳约1万光年、垂向距离银盘平面约0.16万光年的“北近结构”区域(对应图三左图的恒星队伍)更为精细地分析,基于LAMOST有恒星年龄的数据,研究人员对这个称为“北近结构”的恒星队伍刻上了时间演化序列,也就是对这个恒星队伍做了全面年龄普查,发现这个恒星家族中有年轻的,也有年老的,年龄分布跨度大,但总体呈现出来是一个相对年轻的家族;同时发现“北近结构”能被人类探测到的“存活时间”大概是60亿年(如图五),也就是说科学家计算出这个不对称的“北近结构”约存在60亿年后将“曲终星散”。因为随着恒星年龄的增加,恒星速度弥散变大,大约存在60亿年后这个恒星队伍可能会自行解散。

曲终星散终有时 银河系并不安分?

  图五:径向速度子结构被探测到的“存活时间”(指人类探测到的非对称特征存在时间,并非恒星死亡了。)示意图,白色框内对应的恒星小分队的非对称特征在60亿年后就“消失掉了”。

  经过研究,科学家进一步确认了第二个恒星队伍中,太阳外部南北两边恒星都向上奔跑的非对称结构,发现该非对称结构可追溯的“存活时间”或“敏感时标”为80亿年,也就是说,这个结构存在80亿年后,该区域仍会有恒星活动,只是我们不再能察觉到这个非对称特征了。

  月有阴晴圆缺,星亦有悲欢离合。相聚的时间或许是60亿年、80亿年,但终究还是会上演银河时空里的分离大戏。

  有了这些恒星队伍的“存活时间”与年龄跨度,我们可以逐步追溯其演化历史,进而促进天文学家对银河系集成历史这一基本问题的认识。

曲终星散终有时 银河系并不安分?

  图六:垂向速度子结构被探测到的“存活时间”图,科学家发现二号恒星分队中统一往上跑的星星们(上图框线内)在80亿年后就解散了,它们还在运动,但我们看不到非对称特征了。

  恒星们何以“跌宕起伏”

  天文学已经逐步从静态刻画宇宙到动态描绘宇宙过渡,天文学家通过对不同年龄的恒星队伍进行分类分析,不仅清晰看到了恒星的非对称结构,并且看到了这些子结构的变化特征。那么是什么样的物理机制导致了银盘上这些子结构的非对称性呢?这些恒星队伍跌宕起伏、悲欢离合的“背后推手”到底是什么?

  通过计算与比较,研究人员认为银河系里旋臂对星的搅动以及引力作用都是导致银盘上非对称结构的重要因素;另外,银盘上的分子云、孤立过密度区的坍缩导致的非平衡状态的外盘、以及外盘的翘曲特征都可能引起这些“非对称结构”的恒星成员聚合,外部邻居矮星系的扰动或者神奇的暗物质晕可能也是一部分因素。该研究团队很有可能在一个统一的复杂分布函数指挥下,银河系内部的不安分加上外部的互动,导致了现在银河系不同区域不同家族的恒星运动状态,但这一系列的奥秘都等待着天文学家继续探索。

  近两年来笔者所在研究团队对于距离太阳1.6万光年区域的恒星进行了多方位的追溯,其中包含物理演绎、化学诊断、时域剖析,最终获取了两个银盘上非对称恒星结构跌宕起伏的波动性运动特征、年龄变化及整个结构被人类探测到的时间长度。这让我们看到了人类赖以生存的银河系真的是太不安分也太不简单了。

  结语

  杨振宁先生说“物理学的迷人之处,在于上帝把最大的秘密和财富,都隐藏其中”。天体物理学的迷人之处就在于不断探索和挖掘上帝隐藏其中的秘密,在不断探索宇宙结构、起源与演化的过程中,我们会不断逼近宇宙空间真实的物理图景,从而得到很多意想不到的发现。在未来数年内,该团队将依托LAMOST、Gaia等巡天利器,把人类的视线带向更加遥远深邃的星空。我们的征途就是风光迤逦且曼妙多姿的星辰大海,且从未停止……

  致谢:感谢国家天文台刘超研究员和李海宁副研究员对本文提出的宝贵意见。

  参考文献:

  1. Wang H.-F. et al., 3D Asymmetrical motions of the Galactic outer disc with LAMOST K giant stars, 2018a, MNRAS, 477, 2858

  2. Wang H.-F. et al., Mapping the Milky Way with LAMOST- III. Complicated spatial structure in the outer disc, 2018b, MNRAS, 478, 3367

  3. Wang H.-F. et al., Mapping the Galactic disk with the LAMOST and Gaia Red clump sample. III. A new velocity substructure and time stamps of the Galactic disk asymmetry in the disk between 12−15 kpc, 2019a, APJ, 884, 135

  4. Wang H.-F. et al., Mapping the Galactic disk with the LAMOST and Gaia Red clump sample. II. 3D asymmetrical kinematics of mono-age populations in the disk between 6-14 kpc, 2020a, MNRAS, 491, 2104

  5. López-Corredoira M., et al., Gaia-DR2 extended kinematical maps

  Part II: Dynamics in the Galactic disk explaining radial and vertical velocities, 2020, A&A, in press

  6. Xu Y., et al., Rings and Radial Waves in the disk of the milky way, 2015, APJ, 801, 105

  7. Xiang M.-S. et al., The Ages and Masses of a Million Galactic-disk Main-sequence Turnoff and Subgiant Stars from the LAMOST Galactic Spectroscopic Surveys, 2017, APJS, 232, 2

  作者简介

  王海峰:云南大学中国西南天文研究所博士后、中国科学院LAMOST特聘青年研究员。研究领域:银河系化学动力学结构、星团与星际介质、天文大数据分析等。

  李双:中国科学院国家天文台工程师,LAMOST运行和发展中心宣传主管。

[ 责编:蔡琳 ]
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