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移动星群——宇宙过客揭示银河系动力学演化历史

来源:光明网2021-06-16 11:01

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  移动星群没有星团的凝聚力,也没有星流的宏伟壮观,可能只是宇宙中短暂的过客,但是它的存在可以揭示银河系动力学演化历史。

  顾名思义,移动星群是具有相似运动的一群恒星。虽然一起运动,但是它们在空间位置可能并不相邻。早在1869年天文学家就在太阳邻近区域发现了两个明显的移动星群,然而移动星群概念是在20世纪60年代由美国天文学家艾根(Olin J. Eggen)提出的。

  艾根发现了一些空间位置弥散的恒星具有相似运动,而且运动速度和一些星团很接近,于是他们就主观的认为这些恒星是从星团“逃”出来的。他们称这些恒星为移动星群,并且依据和他们速度相近的星团或者恒星的名字命名。比如著名的Hyades移动星群、Sirius移动星群、大角星群等等。

移动星群——宇宙过客揭示银河系动力学演化历史

图1. Hyades星团 (图源:使用Gaia Sky创建,ESA / GAIA / DPAC , CC BY - SA 3.0 )

  自那以后,天文学家们对移动星群产生了浓厚的兴趣。20世纪90年代中期,欧洲航天局的依巴谷卫星发布了高精度的天体测量数据,移动星群的研究进入了一个新时代,陆续发现了一大批新的移动星群候选体。

  2009年,国家天文台赵景昆等人利用14000多颗矮星和6000多颗巨星组成的样本,发现了22个移动星群候选体,在当时被评价为最完备的移动星群样本(AN,334,756)。

  随着研究的深入,天文学家越来越质疑艾根的观点,他们发现绝大部分移动星群和星团并没有本质的关联。组成移动星群的成员星的年龄以及金属丰度并不一致,弥散远远大于测量误差,不是诞生于同一分子云。

  后来经过不断的探索,一些移动星群被证实和银河系中心棒以及旋臂有关,中心棒的共振以及银河系的旋臂会促使一些恒星聚集,从而形成移动星群,相应的动力学模拟工作也逐渐开展起来。

  随着SDSS、RAVE、LAMOST以及Gaia巡天数据的释放,移动星群的研究取得了更大的进展,更多的移动星群被发现,并且将其研究从太阳近邻扩展到更远的地方。

移动星群——宇宙过客揭示银河系动力学演化历史

图2:LAMOST望远镜和欧洲空间局的Gaia卫星(图源:LAMOST运行和发展中心)。

  特别是利用Gaia的数据提供精确的天测数据,在太阳近邻发现绝大部分的移动星群位于一些较大弧状结构之上(图3),是这些弧状结构的重要组成部分。

移动星群——宇宙过客揭示银河系动力学演化历史

图3. 太阳近邻的移动星群分布,加号表示发现的移动星群,带圆的加号表示可信度高的移动星群 (图源:A&A, 619, A72)

  移动星群的表象是很一致的,就是一群一起运动的恒星,但是导致它们一起运动的机制是错综复杂的。它们的产生机制主要有三种,第一种是银河系中心棒以及旋臂的非轴对称引力势导致的,第二种是并合事件扰动导致的相空间混合会促使一些恒星一起运动,最后一种就是潮汐流经过演化后恒星仍然保持相似的运动,这些移动星群可能是星团或者矮星系潮汐流的一部分。

  目前很多移动星群的形成机制仍然存在争议。达成共识的有Hercules这个移动星群,被认为是银河系中心棒的外林德布拉德共振导致的。另外几个著名的Sirius、Hyades、Pleiades、Wolf 630、γLeo等移动星群可能是第一、第二种机制共同作用导致的。为了还原它们的形成,需要更加精细可靠的数值模拟。

  厚盘的移动星群主要有两个,AF06和大角星群,这两个刚发现的时候根据他们的运动学信息认为是被银河系吸积矮星系的残骸,后来经过对他们年龄以及化学丰度分析,证实了它们的成员星是银河系本地产生的。银晕中的移动星群有的来自于矮星系的吸积遗迹,也有的是并合事件的扰动产生的,可以通过化学丰度以及轨道模拟来追溯它们的起源。

移动星群——宇宙过客揭示银河系动力学演化历史

图4. LAMOST郭守敬望远镜 (图源:孔啸)

  我国自主创新研制的国家重大科技基础设施、目前世界上光谱获取率最高的LAMOST已经发布了千万量级的天体光谱。

  从LAMOST DR1到DR5,赵景昆等人发现了一系列的新的移动星群:

  利用DR1和DR2数据在晕中发现了7个新的移动星群;

  利用LAMOST DR3和Gaia DR1的TGAS数据,在银盘发现了4个新的移动星群,这4个后来均被Gaia DR2数据进行了证实;

  利用Gaia DR5数据,在本地旋臂发现了一个新的移动星群,提供了旋臂密度波驱使恒星聚集的证据。

  对于新发现的LAMOST-N1移动星群,他们利用SUBARU望远镜进行了后继观测,得到了6颗成员星的11种化学元素的丰度,分析了它们的丰度模式。发现这个星流成员星的[α/Fe]比相同金属丰度的银河系场星平均低0.1dex(图5左), 和Nissen 的低α晕星(图5中的紫色棱形,被认为来自于银河系对矮星系的吸积)分布较一致。

移动星群——宇宙过客揭示银河系动力学演化历史

移动星群——宇宙过客揭示银河系动力学演化历史

图5. [α/Fe]和[Ba/Y]丰度模式。红色矩形框表示LAMOST-N1的成员星,小黑点表示银河系的场星,三角代表矮星系的成员星,绿色棱形表示Nissen厚盘星族,蓝色棱形表示Nissen高α晕族恒星,紫色棱形表示Nissen低α晕族恒星 (图源:ApJ, 868, 105 )

  中子俘获元素[Ba/Y]比银河系场星高0.2dex(图5右),铁族元素Cr丰度比银河系场星偏低约0.15dex,这些观测结果表明LAMOST-N1的化学属性和银河系有明显的不同,可能来自于来外部系统。

  由于LAMOST-N1的丰度模式和目前已知的典型的矮星系的丰度模式也不完全一致,它的前身可能来自于一个较大的矮星系或者较早被吸积的矮星系。

  移动星群的研究虽然取得了较大进展,但是仍然存在一些悬而未决的问题,高精度的模拟和精确的化学丰度可以帮助我们更好的理解它们的形成以及演化。

  作者简介:赵景昆,国家天文台研究员,从事银河系结构与化学演化方面的研究。

  文稿编辑:蔡琳、赵宇豪

[ 责编:涂子怡 ]
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