银河是如何翘成“炸薯片”样子的？

　　爱因斯坦曾说过：“宇宙中最不能理解的事，竟然宇宙是可以理解的!” 自古以来，夜空中美丽浩瀚的银河，引发了人们无数的想象和勇往直前的探索，从三国时期的“星汉灿烂，若出其里”到宋代的“银河宛转三千曲，浴凫飞鹭澄波绿” ……寄托了一代又一代人们对银河的期许和向往。

　　“翘”的银河

　　随着观测技术的进步，天文学家得以凝视他们梦寐以求的这片星河，人们对银河真实面貌的认识也在不断推陈出新。目前我们认知的银河是一个直径大概约为20万光年的星系，中间为盒状的“核球”，四周是扁平的“银盘”，银盘上下及之外是若隐若现的巨大“银晕”。

　　大约70年前，科学家就已经知道银河系是“翘曲的”，一侧的边缘区域由银河平面朝北边弯曲“向上”，另一侧弯曲“向下”，远看就如同我们平常吃的炸薯片。也就是说我们从侧面去看银河，能看到银河拥有前凸后翘的S型好“身材”。

　　但是，在很长一段时间里，由于观测条件的限制，科学家没法用真实精确的恒星观测数据将银河的“薯片状”结构生动地呈现在我们面前。

图1. 银河系翘曲示意图，如同薯片一样（图源：英国《卫报》网站）

　　2019年，我国科学家陈孝钿等人通过恒星计数的方式首次勾勒出银河系翘曲结构的三维空间分布特征，这为人类真实地观看银河“炸薯片”结构提供了直接的观测证据。

　　银河系，作为茫茫宇宙中一个典型的盘星系，既有普遍性又有特殊性。银河系为什么会这样“翘”？保持S型身材的秘诀是什么？长期以来，天文界对此存在各种不同的观点和设想，也成为了国际天文学家讨论的热门话题。

图2. 星系ESO510-13的翘曲图，左右两端都有翘起的特征（图源：STScl/NASA）

　　“翘”的预见

　　有人认为银河系的晕和盘相互作用可以产生“翘曲结构”；有人认为气体掉落到银盘可以催生银河系盘的“翘曲结构”；有人则认为银河系家门口的麦哲伦星云或邻居人马座星系的碰撞也是一种可能性；甚至还有一种观点认为，银河系的磁场也在“炸薯片”结构形成中起到重要作用等等。一直以来，大家对于翘曲来源的研究，不断有新的突破，但难以达成共识。

　　科学理论需要实测数据一步步证实，欧空局的盖亚巡天带来了契机。因为盖亚卫星可以帮助我们对恒星的三维速度进行史无前例的测量，天文学家利用这些新数据对翘曲的研究和讨论日趋激烈。

　　为了方便理解，天体物理学家从宏观方向入手，将银河系盘“炸薯片”外形的形成机制简单归为两类：

　　第一类原因是受外部吸引和影响，由于银河系盘与周围不发光物质或者外部矮星系的引力过程。简单地讲，我们的银盘如同一个“偶像包袱”十足的明星，与周围粉丝们相互吸引，“凹造型”凹出了如此曼妙的身材。

　　第二类则认为不是引力相互作用主导的长期演变过程，简单称为非引力过程。比如，银盘周围的气体掉落或磁场作用等影响，导致了银盘如此之“翘”。

　　“翘”的新知

　　如果是第二类原因引起了银河的“翘曲结构”，体现出来的特征就是银盘上年轻恒星家族的弯曲强度比年老恒星家族的弯曲强度更大。这是因为如果是非引力过程主导，那么该机制主要作用于气体或年轻恒星，并且年老恒星有足够的时间自己消化掉外部非引力过程对它产生的影响，从而体现出能被人类探测到的不同恒星家族弯曲强度的分布特性。

　　虽然我们可以利用盖亚卫星的海量数据对此进行一些探索，但目前它对恒星视线方向速度测量的数据范围较小，并且它不能给出较为理想的恒星化学信息、年龄信息等，甚至对银盘较远处的恒星距离测量也不够准确。

　　幸运的是，我国重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）则可以比较好地解决这些不足之处，同时也为我们提供了一个绝佳的机会，对银河“翘曲”结构的由来一探究竟，追问它的前世今生与历史脉络。

图3. LAMOST望远镜与银河（图源：袁凤芳）

　　LAMOST特聘青年研究员王海峰主导的国际研究团队，基于LAMOST巡天光谱数据中丰富的恒星参数信息，巧妙地构建出一个概率分布函数，从新颖的角度出发，对银盘“炸薯片”的特征进行了追溯研究。

　　他们发现，银盘“薯片”形态的弯曲强度随着恒星年龄的增加是不断减小的，而且这样的“翘曲”身材可以长期保持，但却又是不稳定的一种状态。基于科学分析，他们可靠地找到了翘曲结构起源于气体掉落为代表的非引力过程的证据。因此，基于LAMOST的优势，研究人员用目前最少的假设、全新的视角发现：银河系盘的“翘曲”其实是一个起源于非引力物理过程且长期处于非稳定状态的结构。

图4. 银河系翘曲强度演化图，随着年龄的增加，强度明显下降，支持翘曲起源于非引力过程的结论

　　这一发现推进了人们对于翘曲起源的理解，为我们认识银河系盘的翘曲及起源迈出了全新的一步。

　　未来，研究团队将从数据与物理方面进行更多的努力，逐步地去实现获取完整银河真实物理图像的理想，进而为还原银河系乃至临近宇宙的演化历史推开一扇又一扇神秘未知的大门。

　　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、中国科学院国家天文台天体物理学博士。研究领域：银河系化学动力学结构、时域恒星物理、天文大数据处理与分析等；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。