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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

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  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。

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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 ]
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