中外科学家绘制出迄今最精确银河系结构图

2020年04月29日09:00  来源:人民网-人民日报
 

近日,中外科学家绘制出目前最精确的银河系结构图,明确银河系是一个具有4条旋臂的棒旋星系。

银河系结构是天文学中长期悬而未决的重大科学问题。美国、德国和中国的天文学家主导成立了“银河系棒和旋臂结构遗珍巡天”重大科学计划,经过十余年研究最终破解。这是人类继认识地球和太阳系后,跨入巨大银河系的关键一步。

历经17年,美国、德国和中国天文学家主导的重大科学研究团队绘制出迄今最精确银河系结构图,清晰地展示银河系是一个具有4条旋臂的棒旋星系。

美国哈佛—斯密松天体物理中心资深天文学家、美国科学院院士马克·里德和南京大学天文与空间科学学院教授郑兴武联合撰写的《银河系新视野》,刊登在近日的《科学美国人》杂志上,成为封面文章。这项研究是人类继认识地球和太阳系后,跨入我们居住的巨大银河系的关键一步。

距离遥远 观测困难

一直未能看清银河系结构

银河系结构是天文学中长期悬而未决的重大科学问题。

早在1785年,英国著名天文学家赫歇尔通过恒星记数的方法,第一次提出银河系是一个由亿万颗恒星组成的扁平系统。但长期以来,这个扁平的恒星系统的内部结构一直没有人弄清楚。

郑兴武解释,是因为银河系太大了,现代研究表明它的直径约为10万至18万光年,太阳系离银河系中心很远,且位置接近银道中心面,因此我们所看到的旋臂都重叠投影在天球上而无法分辨,同时我们又无法离开银河系,到几百万光年以外的宇宙空间来回眸银河系,恰如“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。

天文学家也发现,如果能精确地测定旋臂上足够多的天体到太阳的相对距离,即便身在银河系内部,也完全能从内到外勾画出银河系的旋臂结构。于是,寻找能有效勾画出银河系结构的示踪天体或者信标,又能精确测量它们距离,成为天文学家破解这个难题的唯一途径。

然而,在银盘上分布着浓密的尘埃气体,对银河系旋臂上天体的光学辐射产生非常严重的遮挡。当人们到无光污染的大草原仰望天空,用肉眼就可以发现银河中心有一个暗带,即便使用大光学望远镜也只能看清太阳系周围的天体,远远小于银河系的大小。这是光学天文无法完全探索银河系结构的原因。

真正广泛深入地观测和研究银河系的结构得益于20世纪50年代射电和红外天文学的兴起。射电和红外辐射能穿透银道面上浓密的尘埃,使我们看到银河系边缘的天体。经过近半个世纪的观测和研究,天文学家普遍认为银河系是一个棒旋星系。

不过,由于离我们最近银河系旋臂的距离大约为6000光年,直接精确测量这些射电和红外源的距离非常困难,天文学家往往借助于一些天体物理模型,间接测量它们的距离。近代天文学研究表明,这些间接测量的方法有很多问题。这也导致了银河系结构的一些最基本的问题仍然没有得到解决。

国际合作 数据共享

天文学家合力破解难题

为加深对银河系结构的认识,21世纪初,美国、德国和中国的天文学家主导成立了由8个国家22位天文学家参加的“银河系棒和旋臂结构遗珍巡天”重大科学计划,简称贝塞尔计划,以纪念德国天文学家贝塞尔在1938年第一次测量了恒星的距离。

贝塞尔计划用等效口径为8000多公里的甚长基线干涉阵,采用几何三角视差方法直接测量大质量恒星形成区中脉泽源的距离和自行。为了确定银河系结构,科学家希望有一种能穿透银河系盘中浓密尘埃、能测量银河系边缘结构的极亮天体。这种天体就是大质量恒星形成区中的脉泽源,是一种亮温度超过亿度、甚至万亿度的宇宙激光点源。

从2003年到2019年贝塞尔重大研究计划基本结束,研究团队测量了银盘上163个大质量恒星形成区中脉泽源的距离和自行,结合国际上其他团组测量的37个脉泽源,共获得了银河系中近200个大质量恒星形成区的距离和自行。

“为了测量一个脉泽源的距离和它的自行,在地球上由10个天线组成的甚长基线干涉阵,在一年内至少要观测5次,每次观测时间约为5小时,每一小时的观测约需要20个小时的时间进行数据处理和写报告。在十余年中,我国贝塞尔课题组成员大部分时间都在默默地观测和数据处理中。”郑兴武介绍,国际团队成员处理后的数据,均进行了共享。

据介绍,研究团队对大质量恒星形成区在银盘上的螺旋形位置分布的突跳和间断进行分析和弥补。最终,从研究团队所测量大质量恒星形成区的精确位置,清晰地勾画出4条主旋臂,分别是英仙臂、人马—船底臂、矩尺臂和盾牌—半人马臂。再结合红外、一氧化碳和大量年轻天体的观测资料,最终绘制出银河系结构图。

在天文学家观测到的宇宙较亮的河外星系中,旋涡星系约占整个星系数的80%,而棒旋星系约占旋涡星系的2/3,银河系是宇宙中普通的一个星系,4个旋臂分布相对比较对称。相比较于不规则星系,我们居住的银河系是一个旋臂匀称美丽的星系。该项研究成果彻底解决了银河系究竟有几条旋臂这一天文学中长期争论而未解决的重大科学问题。它为现代天体物理学具有挑战性的研究课题之一,即银河系乃至星系的形成研究提供了重要观测依据。

“银河系棒和旋臂结构遗珍巡天计划”给出了太阳系在银河系中有关它的位置和运动的重要信息。从主要由中国天文学家观测和研究的结果分析,表明太阳系不在4条主旋臂上,而非常接近于独立于这4条主旋臂的一条本地臂附近。这条本地臂的形状和其包含丰富的大质量恒星形成区可与其他4条主旋臂类似,或许不是一个孤立的臂段,而极有可能是邻近英仙臂和人马—船底臂的一部分。

接力参与 成果迭出

助推人才培养和学科发展

在由美国、德国和中国的天文学家为主导的贝塞尔计划中,中国天文学家起着重要作用,计划中有一半成果来自中国团队。中国成员来自南京大学、紫金山天文台、上海天文台和国家授时中心。

2003年,中外科学家合作取得里程碑式的成果,也是促成贝塞尔计划的开创性工作。2013年,贝塞尔计划中以紫金山天文台研究人员为首的科研团队,发现并精确测定了距离地球最近的银河系本地臂的形态和运动学性质。2016年,紫金山天文台研究员徐烨、李晶晶博士发现了一座“桥梁”,从本地臂延伸至人马臂,长度大约有1.2万光年,是迄今发现的银河系内最长的一个旋臂次结构。同时结合其他观测证据,他们率先提出,银河系不是以前公认的单纯由宏伟、规则的螺旋形主旋臂组成,而是类似于一些河外星系,在主旋臂间有着很多次结构的复杂棒旋涡星系。

截至2019年底,在贝塞尔计划的163个目标脉泽源中,中国天文学家观测分析了其中85个源。贝塞尔计划在国际知名的天文和天体物理刊物上发表了35篇论文,其中中国天文学家发表了16篇。

此外,上海天文台研究员张波、国家授时中心研究员吴元伟、南京大学胡波博士的观测和研究,都对绘制出银河系结构图做出了重要贡献。“参加这一重大科学计划将助推我国甚长基线天体测量学科的发展,培养出一批年轻天文学家,走在国际甚长基线天体测量学科的最前列。这个基础学科的发展还可能为精密天体测量的实际应用提供技术方法支撑。”郑兴武说。

姚雪青

(责编:赵竹青、吕骞)