丁佳

国际合作研究:银河系身材“凹凸有致”
2019-02-05 11:49

银河系银盘示意图——科院国家天文台供图

在很多人的想象中,星系盘就像宇宙中一个个很平的圆盘子。然而事实上,大量的观测结果表明,很多巨大的星系盘会逐渐向上或向下卷起,形成“炸薯片”一样的弯曲性状,天文学家称这种形状为“翘曲”,大约有三分之一的河外盘星系都或多或少地展现出这种翘曲形状。

然而,人类生存的银河系是怎么样的呢?直到北京时间2月5日凌晨,《自然-天文》杂志在线发布了我国天文学家的一项最新研究成果时,这一谜题才终于被揭开。

在这篇论文中,中国科学院国家天文台博士后陈孝钿、研究员邓李才、研究员刘超等联合澳大利亚麦考瑞大学教授Richard de Grijs及北京大学博士后王舒组成的国际合作团队,首次发现了银河系恒星外盘具有惊人的翘曲结构。

其实,很早就有射电观测发现,银河系的气体盘呈现出和很多河外星系一样的翘曲结构,但是关于恒星盘的形状,却一直缺少直接的证据。

论文第一作者陈孝钿分析,这是因为测量银河系外盘的距离是十分困难的,只有准确的距离才能让人们确信外盘的形状。

2018年,陈孝钿等人发布了第一个红外全天变星星表,其中包含了上千颗银河系造父变星,而这批像珍珠般宝贵的恒星正是指示银河系年轻恒星盘的形状的绝佳示踪体。

造父变星是一类中等质量的年轻脉动变星,比太阳重3~20倍,亮约几万倍,它们的脉动周期和光度严格相关,因此可以用来精确测定距离,精度可达到3~5%。

1339颗造父变星就像一颗颗明灯一样,点亮了被烟雾笼罩的银河。

从三维空间分布图中,科研人员发现,距离银河系中心越远,这些造父变星就越偏离银盘面,整体呈“S”型。如果面向银心并让北银极朝上,那么左手边的银盘会朝上(北)卷起,右手边的则相反。

“出乎人们意料的是,造父变星的恒星盘结构和银河系气体盘的结构非常一致。更重要的是,这个翘曲的‘S’形状还存在着逐渐扭转的螺旋样式。”Richard de Grijs说。

不仅如此,科研人员还发现,从银心向外翘曲呈现复杂的进动现象。如果把银盘想象成是由很多同心环组成的,那么它某一半径处的圆环东边翘起来一点,它外面的圆环则在东偏南一点点翘起,再向外一环翘起的位置又向南一点。这样,每个同心环翘起来的位置随着半径而有一个逐步偏移,这个现象就是进动。

科研人员观察到,外盘翘曲的进动在一个半径范围内相比于银盘转动超前,又在另一个半径范围内落后。

那么,这种翘曲现象到底是怎么形成的呢?尽管翘曲现象在河外星系中经常出现,但是理论家们对它的成因一直莫衷一是。

刘超认为,转矩假说可以解释复杂的翘曲进动现象。“关于翘曲的成因,一种可能是由于外盘在转动过程中受到了外力的作用,通俗地讲,它被‘拽’扭曲了。”

虽然还有很多难题待解,但银河系恒星盘翘曲的发现更新了人类对银河系形状的认识,同时也对外盘起源提供了决定性的观测证据。本文的合作者、中科院国家天文台恒星与恒星系统团队首席科学家邓李才认为,这一发现为人们最终理解银河系这样的巨大盘星系是如何形成和演化的提供了关键的线索。

http://dx.doi.org/10.1038/s41550-018-0686-7

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