点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:从太阳出发,一路看尽反银心方向的“结构花”
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

从太阳出发,一路看尽反银心方向的“结构花”

来源:光明网2021-05-13 17:50

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  写在前面的话

  本文作者之一:李静,从事银河系结构研究工作已有十年,让我对银河系怦然心动的,是十年前2011年仲夏之夜的一次偶然机会。身处在祁连山麓,遥望满天璀璨的繁星,第一次目睹明亮浩瀚的银河高悬其中。那一瞬间,作为一个天文人,我兴奋得湿了眼眶,激动不已!心中不禁感慨:览尽世间万千风景,不及“天河”一抹星光。

从太阳出发,一路看尽反银心方向的“结构花”

图1. 银河星空(图源:网络)

  横跨天际的这条璀璨星河,令古往今来无数文人墨客魂牵梦绕,更让一代代天文人心驰神往。

  银河系如同浩瀚宇宙中的一处岛屿,而我们就居住在这个“宇宙岛”之上,天文学家一直在努力探索银河这座恒星之岛究竟有多长多宽,是怎样的波澜壮阔,是如何的丰富多彩。而行走在这座宇宙岛之上的万千星辰演绎着怎样的车水马龙?又诉说着怎样的传奇故事?

从太阳出发,一路看尽反银心方向的“结构花”

图2. 银河系示意图(图源:维基百科)

  随着观测技术的进步,尤其重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST),它发布的千万光谱成为天文学家构建“数字银河系”的基石。恰逢欧洲航天局发射的盖亚卫星(Gaia)发布了十亿多颗恒星的精确距离、亮度和自行。因此LAMOST与Gaia的强强联手为天文学家研究银河系结构、形成与演化问题提供了有史以来最全面、最详细的数据资源。近年来,科研人员把握机遇,在银河系的研究上不断取得突破性进展。

  近期,西华师范大学物理与空间科学学院李静副研究员与国家天文台薛香香研究员等人在银河系结构方面的研究又有新突破。团队利用LAMOST和Gaia数据,对位于反银心方向的麒麟座星环、三角座-仙女座星流和A13等子结构的起源开展研究,发现它们并不是来自银河系吸积的矮星系,而是银河系外盘的一部分。该成果已在国际知名天文期刊《天体物理学报》(2021,ApJ,910,1)上发表。

  论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abd9bf

  该研究结束了天文界长期以来关于反银心子结构起源的争议。研究还发现反银心的子结构可延伸到距离银河系中心近10万光年处,是经典银盘尺度的2倍。这也佐证了2018年中西国际团队利用LAMOST数据发现银河系尺寸比传统认知大一倍的结论。

  目前我们认识的银河系包括核球、银盘和银晕。银盘是银河系恒星形成的主要区域。天文学家把银河系中心称为银心。人类生活在太阳系中,我们凝视银河的视角自然也是以太阳为基准点。在天文学家眼里,从太阳出发,朝向银河系中心的区域为银心方向,背离银心的区域称为反银心方向。

  LAMOST银河系反银心方向巡天是LAMOST银河系巡天的重要组成部分,因此天文学家利用LAMOST反银心方向的大数据优势,开展了一系列反银心方向的科学研究。

  天文学家对于反银心方向上子结构的研究如同一场星空旅行,收拾“数据行囊”从太阳出发,沿着反银心的方向辐射状撒网,一路寻找万千星辰绽放的“结构花”。见微知著,推陈出新。天文学家为描绘出完整的银河画卷努力添墨加彩。

  沿途的“结构花”

  关于银河系反银心结构的研究最早可以追溯到2002年。美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的海蒂·纽伯格(Heidi Newberg)教授及其合作者发现,在银盘的外侧有一簇高度密集的恒星,呈现出恒星团块的模样,天文学家称这样的恒星聚集团块为恒星“子结构”,而这个子结构就是我们所熟知的麒麟座星环(也称麒麟环,Monoceros Ring)。

  从我们所处的位置背对银河系中心沿着银盘向外望去,麒麟座星环距离我们大约3万光年,意味着它距离银河系中心约有6万光年(太阳距离银河系中心约3万光年)。当时,天文学家猜测这一团与众不同的恒星结构或许是矮星系被银河系潮汐力瓦解留下的印记,后来一些研究认为,麒麟座星环可能是银盘翘曲或者边缘增厚的一部分。之后10余年间,天文学家一直为揭开这些子结构的真正起源而不断搜寻证据。

  随着研究的深入,反银心方向更多的子结构陆续被发现,剑桥大学桑吉卜·莎玛通过2微米全天巡天计划(2MASS)数据,在更远的反银心区域发现了“A13”结构,该结构距离银心7.1万光年,距离银河系中心大约8万光年。天文学家还发现了与麒麟座星环类似的另一个子结构,也就是著名的三角座-仙女座星流(Triangulum Andromeda Stream)。这两个子结构的距离都远远超出了传统上认为的银河系盘只有5万光年半径的边界。

  这些“结构花”的发现不断刷新人们对银盘大小和结构特点的认知。早期发现的这些结构主要基于测光数据,当时反银心区域恒星光谱数据非常缺乏,而且银盘上消光严重,因此,早期天文学家对反银心结构并没有具体的分类。

  直到2012年,李静等人利用美国斯隆数字巡天计划(SDSS)第八次数据释放发布的光谱,描绘了反银心子结构的特征,根据运动学性质的不同将反银心结构分为了反银心星流,东部带状结构,以及真正的低银纬麒麟座星环。

  2015年,国家天文台徐岩等人通过利用SDSS数据进一步研究,发现了两个著名的新结构,分别为距离银心3.3万光年的北近结构和距离银心3.9-4.5万光年的南中结构。证实了反银心区域恒星南北不对称的分布特点,同时还大胆猜测这些子结构都是银盘波浪起伏的不同凹凸部分。

从太阳出发,一路看尽反银心方向的“结构花”

图3. 银河系盘具有“波浪”一样的起伏特点(图源:海蒂·纽伯格)

  至此,天文学家由太阳出发,向着反银心方向,沿途发现的“结构花”包括北近结构、南中结构、麒麟座星环、A13结构和三角座-仙女座星流,从3.9万光年到9.8万光年依次延展排列,构成了反银心方向上独特的风景线。不仅如此,这些恒星子结构还交替出现在银盘的南北两侧,勾勒出银盘波浪状起伏的优美姿态。

  2017年,美国费米国家加速器实验室Li Ting S.等人对反银心子结构A13进行了更深入地研究,推测该结构可能也是盘波浪状起伏的一部分。

从太阳出发,一路看尽反银心方向的“结构花”

图4. Li Ting S.等人2017年推测的盘“波浪”模型(图源:Li Ting S.)

  “结构花”的发源地

  这些子结构的出现让天文学家重新认识了我们的银河,不是传统认知的光滑扁平盘,而是星波荡漾的不安分银河。但这些反银心子结构到底来自何方?天文学家对此莫衷一是。

  直到2021年,李静和薛香香等人利用LAMOST在银河系反银心观测到的大样本恒星光谱,结合Gaia的高精度自行,将反银心子结构的起源问题研究推上了一个新的高度,结束了十几年来天文界对反银心子结构起源问题的争议,揭开了银河系恒星“结构花”的身世之谜。

从太阳出发,一路看尽反银心方向的“结构花”

图5. 银河系下的郭守敬望远镜LAMOST(拍摄:张超)

  李静和薛香香等人从LAMOST数据中挑选了大量的红巨星。这类恒星非常明亮,即使离我们很远也能被观测到,所以红巨星是天文学家研究银河系晕和外盘的强有力探针。利用这个样本,李静等人在距离银河系中心3.9万光年到9.8万光年范围内分别找到了两个位于反银心附近的恒星小团队(共589颗红巨星),其中一个位于银盘的上面,另一个位于银盘的下面。

  天文学家手握这样的“结构花”,并未止步于欣赏它们呈现的美,更期待挖掘它们背后的故事。这些恒星来自哪里?是否包含了之前已有子结构的成员星?是何种魅力让这些恒星惺惺相惜,聚集在一起?带着这样的问题,李静和薛香香等人继续从恒星的细节入手,获取这些恒星的位置、速度、化学元素的含量(金属丰度和a元素丰度)等信息,这些信息成为天文学家对恒星进行“身份识别”和“寻根问祖”的可靠依据。

  与之前在反银心区域发现的子结构进行位置对比,李静和薛香香等人发现,她们找到的两个恒星小团队覆盖麒麟座星环、A13和三角座-仙女座星云三个已知子结构,构成了目前最大、覆盖最广、拥有三维运动和化学信息的反银心子结构成员星样本。困扰了天文学家10余年的反银心结构起源问题终被揭晓。

  银河系盘结构与其它旋涡星系一样被认为具有薄盘和厚盘两个组成部分(如下图所示)。为了证实已确认的反银心子结构成员星的出身,李静和薛香香等人再次进行身份匹配,将这些已确认的反银心子结构成员星的化学元素含量、运动特征以及能量角动量分布与银盘进行“亲子鉴定”,惊喜地发现,这些成员星与银盘拥有相似的近圆运动轨道,金属丰度与厚盘星相似。

从太阳出发,一路看尽反银心方向的“结构花”

图6. 银河系结构示意图(图源:网络)

  通过进一步验证,她们还发现这些子结构成员星的a元素丰度明显低于厚盘,这是由于目前外盘依然存在很多冷气体,相对于内盘,分子云密度低,历史上平均的恒星形成效率低,化学元素的金属丰度增加的不充分,因此a元素丰度比厚盘星要低。综合运动特征和化学DNA鉴定,李静和薛香香等人推断这些子结构成员星应该属于低a丰度贫金属外盘星,意味着这些反银心子结构起源于银盘。这些成员星分布于距离银河系中心3.9万光年到9.8万光年的范围,这也说明离银心9.8万光年处仍然存在外盘成分。

从太阳出发,一路看尽反银心方向的“结构花”

图7. 子结构星群在银道坐标系下的分布(图源:李静)

  这一研究成果证明银盘的半径至少有9.8万光年,是人们认识的经典盘尺度的两倍,这与2018年刘超研究员等人的国际团队研究成果——银河系从“二环”扩建到“五环”的结论是吻合的。同时证明了研究人员认为麒麟座星环,A13,三角座-仙女座星云是银河系外盘一部分的观点是正确的,且在外盘区域,银盘的这种波浪形起伏特征更加地平缓延展。

  银河系结构和形成演化问题一直是天文学研究的重要前沿课题,在许多方面尚未形成一致观点,人类对银河系和宇宙的探索永无止境,借助日益进步的技术与设备,天文学家将更好地认识波澜壮阔的银河系,逐步绘制出更加完整真实的银河画卷。

  作者简介:李静,西华师范大学物理与空间科学学院天文系副研究员,主要研究方向是利用巡天项目大数据研究银河系子结构的形成和演化;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。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 电影《731》拍摄历程特展在哈尔滨举行

  • 安徽歙县:土楼晒秋

独家策划

推荐阅读
中国科学院大连化学物理研究所研究员陈萍、研究员曹湖军、副研究员张炜进团队在氢负离子导体开发及应用方面取得重要进展。
2025-09-18 09:52
工业遗址与科幻主题联动,带来现实与想象交错的奇妙感受;科技手段还原知名IP场景,让游客沉浸到小说里的名场面;利用独特地质地貌,打造“地球上最像火星的地方”……来一场新鲜、有趣的科幻游,成为不少人出游的选择之一。如何做好科幻与文旅深度融合,丰富旅游供给?各地因地制宜进行了探索。
2025-09-18 09:50
记者17日从中国石化新闻办获悉,部署在四川省资阳页岩气田的2口评价井测试产量均超百万立方米,其中资页2-501HF井试获日产气140.7万立方米,刷新我国页岩气测试产量最高纪录。
2025-09-18 09:44
当今中国,科学教育受到前所未有的重视—作为人才培养的根基与路径,科学教育的潜力将变成参与国际竞争、争取国际话语权的实力。
2025-09-18 09:43
日前,由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所牵头承担的聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)遥操作系统测试平台通过专家组测试与验收。
2025-09-18 09:40
“科创游”是一种将科技与旅游相结合的新型旅游形式,不仅展示科技企业的生产过程和产品,还注重科技教育的普及和科技创新的体验
2025-09-17 10:23
此次大会将讨论通过“人与生物圈计划”及其世界生物圈保护区网络杭州战略行动计划,明确未来十年的发展方向、目标和行动方案
2025-09-17 10:21
人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器要“上天”进入预定轨道,运载火箭少不了。在“火箭家族”展台,长征一号至五号运载火箭模型笔直而立。
2025-09-17 10:20
在化学生物学研究中,有一种强大的“分子地图绘制技术”——邻近标记技术。在癌症免疫治疗中,免疫细胞需要足够强和足够多的“信号”才能发起攻击,但癌细胞表面的天然信号往往非常稀疏。
2025-09-17 10:18
当前,秋粮陆续进入成熟期。各地抓住最后的窗口期,落实落细各项增产措施,全力以赴抓好秋粮生产,确保秋粮丰产丰收。
2025-09-17 09:32
人工智能的浪潮正在席卷从科技到教育,乃至全社会的各个角落,中国教育界正在积极推动学习和应用人工智能,以便乘势站在时代前列。今年6月,中国工程院院士、华中科技大学校长尤政提出,人工智能和批判性思维结合形成DNA式的“双螺旋结构”,将有力推动创新。
2025-09-16 09:14
15日,在2025年国家网络安全宣传周主论坛上,《人工智能安全治理框架》2.0版正式发布。落实《全球人工智能治理倡议》,《人工智能安全治理框架》1.0版于2024年9月发布,受到国内外广泛关注。
2025-09-16 09:13
光明日报北京9月15日电 记者陈晨从农业农村部获悉,2025畜禽种业发展论坛14日在北京市平谷区举行。论坛发布了第三次全国畜禽遗传资源普查、濒危畜禽遗传资源保护成效、主要畜种分子身份证构建和遗传评估优秀种公畜等重大成果,举办了畜禽种业振兴成果展,26家单位现场推介新技术、新设备、新成果,72家单位进行专场展示。
2025-09-16 09:13
数智技术以及数智互联技术将推进青年间社会化协同与知识共享,可精准连接青年学习者,并形成跨地域的学习社群与项目协作组。总而言之,数智技术能够为青年群体参与终身学习创造良好条件,能够充分激发青年群体参与终身学习的动力,能够更好地帮助青年群体全面发展。
2025-09-16 09:12
作者:王 珩、程松泉,分别系浙江师范大学教师教育学院教授;浙江师范大学教师教育学院博士生  当前,全球教育正经历一场由人工智能技术驱动的深刻变革。唯有坚守育人初心,在伦理框架内审慎推进技术应用,才能让人工智能真正成为引领教育发展的引擎,而非解构教育本质的飓风。
2025-09-16 09:11
在合成生物学和气候变化应对领域有巨大潜力。
2025-09-16 09:11
走进展区,多款新潮文创让人爱不释手;戴上设备,苏轼笔下的诗词世界任人遨游;指尖轻点,三千年前的青铜器“触手可及”……一系列新产品、新服务、新场景在2025年中国国际服务贸易交易会文旅服务专题亮相,漫步其中,处处感受到科技与创意奔涌、文化和旅游融合的无限活力。
2025-09-15 09:54
在2025年中国国际服务贸易交易会上,一批品类丰富、兼具趣味与文化内涵的文创精品成为展会现场的“人气王”,引爆观展热潮。
2025-09-15 09:54
最大网络基础设施的建成有助于我国突破关键技术的“卡脖子”困境,形成自主可控的核心技术优势,建立起数字经济产业的第二创新生态。 (作者:戎 珂,系清华大学社会科学学院经济学研究所所长、长聘教授;田晓轩,系清华大学社会科学学院经济学研究所博士研究生)
2025-09-15 09:53
今年暑期,工厂游火爆出圈。参观名额秒空、门票收入可观、社交平台相关笔记有10多万条,工厂游俨然成了文旅界新宠。 工厂游等新型旅游业态,实现了工业与文旅的跨界融合,也为文旅经济的发展提供了新增长点。
2025-09-15 09:52
加载更多