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顛覆教科書的發現:銀河系里的“波浪”
顛覆教科書的發現:銀河系里的“波浪”
中科院物理所     阅读简体中文版

天文教科書上說,銀河系就像一個平滑的圓盤,直徑大約10萬光年。然而最近天文學家的研究顛覆了這一經典形象:銀河系的銀盤上存在“波浪”一樣的起伏;它的直徑也可能比先前我們認為的更大。果殼網“科學人”請來了這項研究的第一作者——中國國家天文臺的徐巖研究員,親自講述他們顛覆教科書的這一發現。


新發現表明,銀河系的銀盤并不平滑,而是存在“波浪”一樣的起伏。圖片來源:海蒂·紐伯格,此項研究的合作者之一

翻開任何一本天文學科普書(或者教科書),你都能找到類似這樣的描述:我們的銀河系由大約2000億顆恒星構成,它們大都分布在一個扁平狀的圓盤之中,直徑10萬光年;在這個所謂“銀盤”的內部,恒星又構成了一道道旋臂,纏繞成旋渦形狀,像是餐盤上印制的花紋。

最近,我們團隊利用斯隆數字巡天(SDSS)的測光和光譜數據,對銀河系的銀盤進行了研究。我們的結果顛覆了教科書上銀河系的形象,表明銀盤存在波浪狀的結構,并且銀盤的尺寸也可能比傳統認為的更大。

傳統觀點認為,銀河系的銀盤應該是一個平滑的盤,從銀心向外密度呈指數下降,而且在銀盤的上下兩側(或者說南北兩側),密度應該是鏡像對稱的。然而,早在10多年前,就有天文學家發現,銀盤中存在一些結構,其中的恒星密度高于預期。

2002年,美國倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)的海蒂·紐伯格(Heidi Newberg)及其同事發現,在銀盤的最外側邊緣存在恒星密集分布的團塊,這一成團子結構現在被稱為麒麟座星環(Monoceros Ring)。從我們所處的位置背對銀河系中心沿著銀盤向外看去,這個子結構距離太陽大約3萬光年,意味著它距離銀河系中心約有6萬光年。

后來,其他天文學家又在麒麟座星環以外發現了另一個類似的子結構,現在被稱為三角座-仙女座星流(Triangulum Andromeda Stream)。這個子結構距離銀河系中心大約8萬光年,遠遠超出了傳統上認為的銀河系銀盤的邊界。

現在,我們的研究團隊對2002年斯隆數字巡天的觀測數據作了進一步分析,發現了另外兩個類似子結構存在的跡象。

斯隆數字巡天所用的望遠鏡,這項研究分析的觀測數據就來自于斯隆數字巡天。圖片來源:SDSS

我們利用恒星本身的真實亮度來測量它們的距離,因為距離越遠,同等亮度的恒星看起來就會越暗(當然,還要考慮恒星和我們之間塵埃的消光作用)。通過測量一顆顆恒星的距離并統計它們在銀河系內所處的位置,我們發現至少在銀經110°到230°、銀緯-30°到30°之間,銀盤中的恒星密度存在不對稱性。

我們發現,這一區域有4個獨立子結構,恒星密度超過傳統預期。之前就被人發現的麒麟座星環和三角座-仙女座星流各占其一,另外兩個子結構則位于麒麟座星環和我們的太陽之間。離太陽最近的子結構,距離銀心大約3萬光年,銀盤以北的恒星密度超出預期;另一個子結構距離銀心大約4萬-4.5萬光年,銀盤以南的恒星密度超出預期。

我們分別把它們命名為北近結構(north near structure)和南中結構(south middle structure)。由銀心向外,它們與麒麟座星環和三角座-仙女座星流,構成了某種等間距排列,彼此間距大約6000光年。不僅如此,這些恒星密度超出的子結構還交替出現在銀盤的南北兩側,在銀盤中構成了波浪狀的結構。

最初我們猜測,這兩個子結構可能是銀河系吞并附近矮星系而留下的遺跡。但我們分析了這兩處恒星的金屬豐度和視向速度分布,發現這些恒星的金屬豐度與銀盤中普通恒星的金屬豐度非常接近,與矮星系中恒星的金屬豐度分布并不相似。對視向速度的測量也顯示,那些恒星并非源自于矮星系。

這項研究還提出了一些很有意思卻沒有得到很好解釋的問題。從我們地球上看過去,北近結構與銀河系旋臂中的英仙臂(Perseus Arm)位置相近,南中結構則與外緣旋臂(Outer Arm)位置相近。然而,兩者出現的方向剛好相反,比如北近結構出現在銀盤以北,英仙臂卻位置偏南。另外,子結構距離銀盤的高度也要比旋臂的銀盤高度大很多。其中的原因是什么,是子結構觸發了旋臂的形成還是反過來,仍然有待研究。

從這項研究中,我們還可以得到一個有待證實的推論。先前的觀測表明,距離銀心大約5萬光年處,銀盤上的恒星密度出現了陡然下降,因此傳統上認為銀盤直徑約為10萬光年。如果銀盤中確實存在我們發現的這種波浪狀結構,那么沿某個視線方向看出去,就會出現某個半徑處恒星密度突然下降,接下來密度又突然增大的情況——而麒麟座星環和三角座-仙女座星流恰好是這種情況。如果這兩個子結構都是銀盤的一部分,這就意味著銀河系要比我們先前認為的大出約60%。銀河系的銀盤從一側到另外一側不只延伸10萬光年,而很可能寬達16萬光年,足以與本星系群中最大的旋渦星系——仙女座大星系M31比肩。

這段合作研究的經歷讓我一次次刷新從教科書上得到的一些基本概念,也說明一些最基本的天體測量也可以是前沿問題,并且非常重要。我們的這項研究,近期發表在國際天文學期刊《天體物理學報》(The Astrophysical Journal)上。

我們的合作團隊包括:美國倫斯勒理工大學教授海蒂·紐伯格和博士后杰夫·卡林(Jeff Carlin),中國國家天文臺恒星與恒星系統研究團組副研究員劉超和研究員鄧李才,上海天文臺研究生李靜,英國牛津大學拉爾夫·舍恩里克(Ralph Schonrich)博士,以及美國費米實驗室布萊恩·揚尼(Brian Yanny)教授組成的團隊。(編輯:Steed)

參考文獻

  1. Y. Xu et al. “Rings and Radial Waves in the Disk of the Milky Way.” Astrophysical Journal. March 10, 2015.


原標題:我們發現了銀河系里的“波浪”

來源:果殼網

2015-08-23 08:48

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