中外科學家繪制出迄今最精確銀河系結構圖

凝望十余載 勾畫星河影(解碼)

2020年04月29日09:50  來源:人民網-人民日報
 

銀河系結構圖。鄭興武 馬克·裡德供圖

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近日,中外科學家繪制出目前最精確的銀河系結構圖,明確銀河系是一個具有4條旋臂的棒旋星系。

銀河系結構是天文學中長期懸而未決的重大科學問題。美國、德國和中國的天文學家主導成立了“銀河系棒和旋臂結構遺珍巡天”重大科學計劃,經過十余年研究最終破解。這是人類繼認識地球和太陽系后,跨入巨大銀河系的關鍵一步。

歷經17年,美國、德國和中國天文學家主導的重大科學研究團隊繪制出迄今最精確銀河系結構圖,清晰地展示銀河系是一個具有4條旋臂的棒旋星系。

美國哈佛—斯密鬆天體物理中心資深天文學家、美國科學院院士馬克·裡德和南京大學天文與空間科學學院教授鄭興武聯合撰寫的《銀河系新視野》,刊登在近日的《科學美國人》雜志上,成為封面文章。這項研究是人類繼認識地球和太陽系后,跨入我們居住的巨大銀河系的關鍵一步。

距離遙遠 觀測困難

一直未能看清銀河系結構

銀河系結構是天文學中長期懸而未決的重大科學問題。

早在1785年,英國著名天文學家赫歇爾通過恆星記數的方法,第一次提出銀河系是一個由億萬顆恆星組成的扁平系統。但長期以來,這個扁平的恆星系統的內部結構一直沒有人弄清楚。

鄭興武解釋,是因為銀河系太大了,現代研究表明它的直徑約為10萬至18萬光年,太陽系離銀河系中心很遠,且位置接近銀道中心面,因此我們所看到的旋臂都重疊投影在天球上而無法分辨,同時我們又無法離開銀河系,到幾百萬光年以外的宇宙空間來回眸銀河系,恰如“不識廬山真面目,隻緣身在此山中”。

天文學家也發現,如果能精確地測定旋臂上足夠多的天體到太陽的相對距離,即便身在銀河系內部,也完全能從內到外勾畫出銀河系的旋臂結構。於是,尋找能有效勾畫出銀河系結構的示蹤天體或者信標,又能精確測量它們距離,成為天文學家破解這個難題的唯一途徑。

然而,在銀盤上分布著濃密的塵埃氣體,對銀河系旋臂上天體的光學輻射產生非常嚴重的遮擋。當人們到無光污染的大草原仰望天空,用肉眼就可以發現銀河中心有一個暗帶,即便使用大光學望遠鏡也隻能看清太陽系周圍的天體,遠遠小於銀河系的大小。這是光學天文無法完全探索銀河系結構的原因。

真正廣泛深入地觀測和研究銀河系的結構得益於20世紀50年代射電和紅外天文學的興起。射電和紅外輻射能穿透銀道面上濃密的塵埃,使我們看到銀河系邊緣的天體。經過近半個世紀的觀測和研究,天文學家普遍認為銀河系是一個棒旋星系。

不過,由於離我們最近銀河系旋臂的距離大約為6000光年,直接精確測量這些射電和紅外源的距離非常困難,天文學家往往借助於一些天體物理模型,間接測量它們的距離。近代天文學研究表明,這些間接測量的方法有很多問題。這也導致了銀河系結構的一些最基本的問題仍然沒有得到解決。

國際合作 數據共享

天文學家合力破解難題

為加深對銀河系結構的認識,21世紀初,美國、德國和中國的天文學家主導成立了由8個國家22位天文學家參加的“銀河系棒和旋臂結構遺珍巡天”重大科學計劃,簡稱貝塞爾計劃,以紀念德國天文學家貝塞爾在1938年第一次測量了恆星的距離。

貝塞爾計劃用等效口徑為8000多公裡的甚長基線干涉陣,採用幾何三角視差方法直接測量大質量恆星形成區中脈澤源的距離和自行。為了確定銀河系結構,科學家希望有一種能穿透銀河系盤中濃密塵埃、能測量銀河系邊緣結構的極亮天體。這種天體就是大質量恆星形成區中的脈澤源,是一種亮溫度超過億度、甚至萬億度的宇宙激光點源。

從2003年到2019年貝塞爾重大研究計劃基本結束,研究團隊測量了銀盤上163個大質量恆星形成區中脈澤源的距離和自行,結合國際上其他團組測量的37個脈澤源,共獲得了銀河系中近200個大質量恆星形成區的距離和自行。

“為了測量一個脈澤源的距離和它的自行,在地球上由10個天線組成的甚長基線干涉陣,在一年內至少要觀測5次,每次觀測時間約為5小時,每一小時的觀測約需要20個小時的時間進行數據處理和寫報告。在十余年中,我國貝塞爾課題組成員大部分時間都在默默地觀測和數據處理中。”鄭興武介紹,國際團隊成員處理后的數據,均進行了共享。

據介紹,研究團隊對大質量恆星形成區在銀盤上的螺旋形位置分布的突跳和間斷進行分析和彌補。最終,從研究團隊所測量大質量恆星形成區的精確位置,清晰地勾畫出4條主旋臂,分別是英仙臂、人馬—船底臂、矩尺臂和盾牌—半人馬臂。再結合紅外、一氧化碳和大量年輕天體的觀測資料,最終繪制出銀河系結構圖。

在天文學家觀測到的宇宙較亮的河外星系中,旋渦星系約佔整個星系數的80%,而棒旋星系約佔旋渦星系的2/3,銀河系是宇宙中普通的一個星系,4個旋臂分布相對比較對稱。相比較於不規則星系,我們居住的銀河系是一個旋臂勻稱美麗的星系。該項研究成果徹底解決了銀河系究竟有幾條旋臂這一天文學中長期爭論而未解決的重大科學問題。它為現代天體物理學具有挑戰性的研究課題之一,即銀河系乃至星系的形成研究提供了重要觀測依據。

“銀河系棒和旋臂結構遺珍巡天計劃”給出了太陽系在銀河系中有關它的位置和運動的重要信息。從主要由中國天文學家觀測和研究的結果分析,表明太陽系不在4條主旋臂上,而非常接近於獨立於這4條主旋臂的一條本地臂附近。這條本地臂的形狀和其包含豐富的大質量恆星形成區可與其他4條主旋臂類似,或許不是一個孤立的臂段,而極有可能是鄰近英仙臂和人馬—船底臂的一部分。

接力參與 成果迭出

助推人才培養和學科發展

在由美國、德國和中國的天文學家為主導的貝塞爾計劃中,中國天文學家起著重要作用,計劃中有一半成果來自中國團隊。中國成員來自南京大學、紫金山天文台、上海天文台和國家授時中心。

2003年,中外科學家合作取得裡程碑式的成果,也是促成貝塞爾計劃的開創性工作。2013年,貝塞爾計劃中以紫金山天文台研究人員為首的科研團隊,發現並精確測定了距離地球最近的銀河系本地臂的形態和運動學性質。2016年,紫金山天文台研究員徐燁、李晶晶博士發現了一座“橋梁”,從本地臂延伸至人馬臂,長度大約有1.2萬光年,是迄今發現的銀河系內最長的一個旋臂次結構。同時結合其他觀測証據,他們率先提出,銀河系不是以前公認的單純由宏偉、規則的螺旋形主旋臂組成,而是類似於一些河外星系,在主旋臂間有著很多次結構的復雜棒旋渦星系。

截至2019年底,在貝塞爾計劃的163個目標脈澤源中,中國天文學家觀測分析了其中85個源。貝塞爾計劃在國際知名的天文和天體物理刊物上發表了35篇論文,其中中國天文學家發表了16篇。

此外,上海天文台研究員張波、國家授時中心研究員吳元偉、南京大學胡波博士的觀測和研究,都對繪制出銀河系結構圖做出了重要貢獻。“參加這一重大科學計劃將助推我國甚長基線天體測量學科的發展,培養出一批年輕天文學家,走在國際甚長基線天體測量學科的最前列。這個基礎學科的發展還可能為精密天體測量的實際應用提供技術方法支撐。”鄭興武說。

《 人民日報 》( 2020年04月29日 12 版)

(責編:劉楊、席秀琴)