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我們發現了銀河系裏的“波浪”
2015-04-09| 【 【打印】【關閉】

  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,並且銀盤的尺寸也可能比傳統認爲的更大。

 

  新發現表明,銀河系的銀盤並不平滑,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

  傳統觀點認爲,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,美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的海蒂·纽伯格(Heidi Newberg)及其同事发现,在银盘的最外侧边缘存在恒星密集分布的团块,这一成团子结构现在被称为麒麟座星环(Monoceros Ring)。从我们所处的位置背对银河系中心沿着银盘向外看去,这个子结构距离太阳大约3万光年,意味着它距离银河系中心约有6万光年。

  后来,其他天文学家又在麒麟座星环以外发现了另一个类似的子结构,现在被称为三角座-仙女座星流(Triangulum Andromeda Stream)。这个子结构距离银河系中心大约8万光年,远远超出了传统上认为的银河系银盘的边界。

  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迹象。

 

  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,因爲距離越遠,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並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。

  我们分别把它们命名为北近结构(north near structure)和南中结构(south middle structure)。由银心向外,它们与麒麟座星环和三角座-仙女座星流,构成了某种等间距排列,彼此间距大约6000光年。不仅如此,这些恒星密度超出的子结构还交替出现在银盘的南北两侧,在银盘中构成了波浪状的结构。

  最初我們猜測,這兩個子結構可能是銀河系吞並附近矮星系而留下的遺迹。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並不相似。對視向速度的測量也顯示,那些恒星並非源自于矮星系。

  这项研究还提出了一些很有意思却没有得到很好解释的问题。从我们地球上看过去,北近结构与银河系旋臂中的英仙臂(Perseus Arm)位置相近,南中结构则与外缘旋臂(Outer Arm)位置相近。然而,两者出现的方向刚好相反,比如北近结构出现在银盘以北,英仙臂却位置偏南。另外,子结构距离银盘的高度也要比旋臂的银盘高度大很多。其中的原因是什么,是子结构触发了旋臂的形成还是反过来,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,因此傳統上認爲銀盤直徑約爲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,那麽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爲的大出約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。

  这段合作研究的经历让我一次次刷新从教科书上得到的一些基本概念,也说明一些最基本的天体测量也可以是前沿问题,并且非常重要。我们的这项研究,近期发表在国际天文学期刊《天体物理学报》(The Astrophysical Journal)上。

  我们的合作团队包括:美国伦斯勒理工大学教授海蒂·纽伯格和博士后杰夫·卡林(Jeff Carlin),中國國家天文台恒星与恒星系统研究团组副研究員刘超和研究員邓李才,上海天文台研究生李静,英国牛津大学拉尔夫·舍恩里克(Ralph Schonrich)博士,以及美国费米实验室布莱恩·扬尼(Brian Yanny)教授组成的团队。(编辑:Steed)

(文章来源:果壳网 2015年4月9日 | 作者:徐岩)

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