我國天文學家首次展示銀河系恆星盤驚人的翹曲結構

科技日報實習記者 代小佩

北京時間5日凌晨，正逢跨年時刻，國際科學期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）在線發布一項重大研究成果，我國天文學家首次通過恆星的觀測向人類展示銀河系外盤驚人的翹曲結構。該成果更新了人們對銀河系形狀的認知，在為人們最終理解像銀河系這樣的巨大盤星系如何形成和演化提供了關鍵線索。

「在沒有獲取豐富數據前，銀河系的恆星盤看起來似乎是一個總體上平坦的圓盤，但實際並非如此。理論上，星系盤一直處於不穩定的狀態。」上述研究論文的聯合通訊作者、國家天文台恆星與恆星系統團隊首席科學家、西華師範大學天文系主任鄧李才接受科技日報記者採訪時說，在外盤處，巨大的星系盤會逐漸向上或向下捲起，整體形成一個接近炸薯片一樣的彎曲狀態。天文學家稱這種形狀為星系盤「翹曲」，這種結構可以在側向的河外盤星繫上直接看到。

但由於人類本身處於銀河系的恆星盤上，研究銀河系恆星盤的結構就變得相當困難。這就是「不識廬山真面目，只緣身在此山中」。

不過，大量觀測表明，大約三分之一的河外盤星系都或多或少展現出翹曲形狀。科家們據此猜測，銀河系是否也如此呢？

實際上，很早就有射電觀測發現銀河系的氣體盤呈現出翹曲結構。銀河系的恆星盤跟氣體盤的結構類似，也呈現出翹曲結構嗎？「因為氣體與恆星都受到同一引力場控制，理應顯示同樣的翹曲結構，但關於恆星盤的形狀一直缺少直接的證據。」鄧李才說。

銀河系銀盤翹曲的藝術想像圖

「這是因為，準確知道銀河系外盤的距離才能確定外盤的形狀，但銀河系外盤的距離很大，測量起來十分困難，它需要精準且足夠明亮的標準示蹤恆星。」上述研究論文的第一作者、國家天文台陳孝鈿博士表示，造父變星是此次研究取得突破的關鍵所在，它幫助天文學家有效測量銀河系外盤的距離。

「造父變星是一類中等質量的年輕脈動變星，與太陽相比，造父變星重3-20倍，亮約9幾萬倍。由於它們的脈動周期與光度嚴格相關，因此可以用於精確測定距離，精度可達到3%-5%。」陳孝鈿解釋道。

在進行上述研究工作之前，陳孝鈿領銜發布了第一個紅外全天變星星表，這張表包括34769顆新發現的變星，其中有1312顆為銀河系造父變星，超過了過去100年間天文學家發現的銀河系造父變星總和，為成功揭開銀河系銀盤的精準結構埋下伏筆。「這批像珍珠般寶貴的恆星正是指示銀河系年輕恆星盤的形狀的絕佳示蹤體。」陳孝鈿說。

「塵埃消光是測量銀河系銀盤恆星距離的最大障礙。如同霧霾一樣的星際塵埃使得測量恆星的距離變得十分困難，尤其是在傳統的光學波段。但紅外多窗口研究可以大大緩解這一困難。我們此次的成功得益於我們團組在消光規律研究上的經驗。」上述研究論文的聯合通訊作者、北京大學的王舒博士解釋道。

陳孝鈿告訴記者，本次研究的整體樣本有2330顆銀河系造父變星，包括紅外發現的1312顆和其他星表搜集到的。「我們精選了樣本中的1339顆。它們猶如明燈一樣點亮了被『煙霧』籠罩的銀河。」

陳孝鈿於2016年加入國家天文台「恆星與恆星系統團組」，該團隊的主要工作方向是銀河系研究，團隊人員還包括國家天文台研究員劉超、澳大利亞麥考瑞大學理查德·迪何銳思教授以及北京大學王舒博士，他們長期鑽研銀河繫結構和恆星時域問題。

從三維空間分布圖中，陳孝鈿與團隊發現距離銀河系中心越遠，這些造父變星就越偏離銀盤面，整體呈「S」型；如果面向銀心並讓北銀極朝上，那麼左手邊的銀盤就會朝上（北）捲起，右手邊的則相反。不僅如此，他們還發現，從銀心向外翹曲呈現複雜的進動現象。

上圖：造父變星揭示的銀河系銀盤三維圖，太陽（橙色圓形圖標）並不在翹曲交點線上。kpc為天文距離單位，1kpc大約為3262光年。下圖：翹曲交點線角隨銀心距存在進動。

「結果顯示，造父變星的恆星盤結構和銀河系氣體盤的結構非常一致。而更重要的是，這個翹曲的『S』形狀還存在逐漸扭轉的螺旋樣式。」論文的合作者理查德?迪何銳思教授指出。

儘管翹曲現象在河外星系中經常出現，但理論家們對它如何形成的說法莫衷一是。一種可能的解釋是外盤受到某種轉矩作用而形成。「轉矩假說可以解釋複雜的翹曲進動現象，我們的觀測結果傾向外盤的形成是由巨大的內盤轉矩主導的。在盤的動力學研究上，我們的成果意義重大！」論文的合作者劉超表示。

「銀河系盤的翹曲通過恆星觀測結果被證實，這首先更新了人們對銀河系形狀的認識，同時也對外盤起源提供了決定性的觀測證據，為我們最終理解像銀河系這樣的巨大盤星系如何形成和演化提供關鍵線索。」鄧李才興奮地說道。

來源：科技日報 文中圖片由受訪者提供

編輯：朱麗

審核：王小龍

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