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曲終星散終有時 銀河係並不安分?



“銀河初轉水橫流,星史人催報曉籌”,牛郎織女浪漫約會的銀河不知牽動了多少人的心弦?漫步在星空下,不禁思索,這璀璨的星河到底有多少未知等待我們去探索?仰望星空,你或許會問,銀河系結構是什麼樣子的?銀河系裡到底有多少恆星,它們每時每刻進行著怎樣的運動,是否有規律可循?正是這些問題牽繞著一代又一代天文學家在科學的道路上不斷前行,揭開了一個又一個深邃宇宙的真相,推動著一個又一個天文知識的革新。

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圖一:冬季人眼可見的位於青海的銀河“拱橋”(拍攝者:鄧李才)。

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圖二:銀河系的側視圖與俯視圖,以及穿過她的星流(圖片取自網絡)。

銀河系主要包含銀心與凸起的核球、帶著旋臂的銀盤、以及彌散在銀盤周圍的銀暈三部分,其中銀盤是銀河系的主要組成部分,銀河系的發光物質中,至少有九成都在銀盤範圍以內。

起伏的盤星隊伍

多年前,天文學家已經發現銀盤上太陽附近的恆星很不安分,除了繞著銀心做公轉運動外,經常你來我往,四處溜達。 2018年,筆者所在研究團隊通過對銀盤上的恆星進行分析,第一次在超越太陽1.6萬光年的範圍內, 從速度的角度看到銀河系裡恆星不安分的一面,銀盤上的恆星運動如同水波一樣起起伏伏,呈現星波蕩漾的恆星隊形。

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圖三:銀河系在不同方向的恆星運動方向示意圖(繪圖:charcoal)

如圖三所示,兩個恆星隊伍(運動子結構)展示了銀盤上太陽附近及距離太陽1.6萬光年遠的恆星運動特點。左邊是一個稱為“北近結構”的恆星隊伍,向人類清楚展示出他們在銀心水平方向上的運動趨勢;右邊的恆星隊伍是一組在太陽附近的不對稱結構,圖中展示了這裡的恆星在垂直方向上的步伐特點。

除了運動的特點,這些恆星芳齡幾許?是銀盤上精力旺盛的年輕族,還是步入暮年的老壽星?這樣的兩個恆星隊伍是否一直聚合在一起保持著這樣的非對稱運動?它們背後承載著怎樣的科學故事?一系列的問題引起了研究人員對這兩個恆星隊伍足夠的好奇。

剛剛過去的2019年可謂是一個天文數據豐收年,郭守敬望遠鏡(LAMOST)獲取光譜數達到1000多萬,成為世界上首個突破千萬量級的光譜巡天項目,歐空局蓋亞衛星(Gaia)也釋放了約10億顆恆星的切向速度信息,機器學習的手段為獲取百萬恒星的年齡數據提供了支持,如此豐富的資源助力天文學家繼續對銀盤上這兩個有趣的恆星隊伍開展了進一步研究。

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圖四:LAMOST與銀河(拍攝:袁鳳芳)

曲終星散待何年?

經過對距離太陽約1萬光年、垂向距離銀盤平面約0.16萬光年的“北近結構”區域(對應圖三左圖的恆星隊伍)更為精細地分析,基於LAMOST有恆星年齡的數據,研究人員對這個稱為“北近結構”的恆星隊伍刻上了時間演化序列,也就是對這個恆星隊伍做了全面年齡普查,發現這個恆星家族中有年輕的,也有年老的,年齡分佈跨度大,但總體呈現出來是一個相對年輕的家族;同時發現“北近結構”能被人類探測到的“存活時間”大概是60億年(如圖五),也就是說科學家計算出這個不對稱的“北近結構”約存在60億年後將“曲終星散”。因為隨著恆星年齡的增加,恆星速度彌散變大,大約存在60億年後這個恆星隊伍可能會自行解散。

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圖五:徑向速度子結構被探測到的“存活時間”(指人類探測到的非對稱特徵存在時間,並非恆星死亡了。)示意圖,白色框內對應的恆星小分隊的非對稱特徵在60億年後就“消失掉了”。

經過研究,科學家進一步確認了第二個恆星隊伍中,太陽外部南北兩邊恆星都向上奔跑的非對稱結構,發現該非對稱結構可追溯的“存活時間”或“敏感時標”為80億年,也就是說,這個結構存在80億年後,該區域仍會有恆星活動,只是我們不再能察覺到這個非對稱特徵了。

月有陰晴圓缺,星亦有悲歡離合。相聚的時間或許是60億年、80億年,但終究還是會上演銀河時空裡的分離大戲。

有了這些恆星隊伍的“存活時間”與年齡跨度,我們可以逐步追溯其演化歷史,進而促進天文學家對銀河系集成歷史這一基本問題的認識。

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圖六:垂向速度子結構被探測到的“存活時間”圖,科學家發現二號恆星分隊中統一往上跑的星星們(上圖框線內)在80億年後就解散了,它們還在運動,但我們看不到非對稱特徵了。

恆星們何以“跌宕起伏”

天文學已經逐步從靜態刻畫宇宙到動態描繪宇宙過渡,天文學家通過對不同年齡的恆星隊伍進行分類分析,不僅清晰看到了恆星的非對稱結構,並且看到了這些子結構的變化特徵。那麼是什麼樣的物理機制導致了銀盤上這些子結構的非對稱性呢?這些恆星隊伍跌宕起伏、悲歡離合的“背後推手”到底是什麼?

通過計算與比較,研究人員認為銀河系裡旋臂對星的攪動以及引力作用都是導致銀盤上非對稱結構的重要因素;另外,銀盤上的分子云、孤立過密度區的坍縮導致的非平衡狀態的外盤、以及外盤的翹曲特徵都可能引起這些“非對稱結構”的恆星成員聚合,外部鄰居矮星系的擾動或者神奇的暗物質暈可能也是一部分因素。該研究團隊很有可能在一個統一的複雜分佈函數指揮下,銀河系內部的不安分加上外部的互動,導致了現在銀河係不同區域不同家族的恆星運動狀態,但這一系列的奧秘都等待著天文學家繼續探索。

近兩年來筆者所在研究團隊對於距離太陽1.6萬光年區域的恆星進行了多方位的追溯,其中包含物理演繹、化學診斷、時域剖析,最終獲取了兩個銀盤上非對稱恆星結構跌宕起伏的波動性運動特徵、年齡變化及整個結構被人類探測到的時間長度。這讓我們看到了人類賴以生存的銀河系真的是太不安分也太不簡單了。

結語

楊振寧先生說“物理學的迷人之處,在於上帝把最大的秘密和財富,都隱藏其中”。天體物理學的迷人之處就在於不斷探索和挖掘上帝隱藏其中的秘密,在不斷探索宇宙結構、起源與演化的過程中,我們會不斷逼近宇宙空間真實的物理圖景,從而得到很多意想不到的發現。在未來數年內,該團隊將依托LAMOST、Gaia等巡天利器,把人類的視線帶向更加遙遠深邃的星空。我們的征途就是風光迤邐且曼妙多姿的星辰大海,且從未停止……

致謝:感謝國家天文台劉超研究員和李海寧副研究員對本文提出的寶貴意見。

參考文獻:

1。 Wang H。 -F。 et al。 , 3D Asymmetrical motions of the Galactic outer disc with LAMOST K giant stars, 2018a, MNRAS, 477, 2858

2。 Wang H。 -F。 et al。 , Mapping the Milky Way with LAMOST- III。 Complicated spatial structure in the outer disc, 2018b, MNRAS, 478, 3367

3。 Wang H。 -F。 et al。 , Mapping the Galactic disk with the LAMOST and Gaia Red clump sample。 III。 A new velocity substructure and time stamps of the Galactic disk asymmetry in the disk between 12−15 kpc, 2019a, APJ, 884, 135

4。 Wang H。 -F。 et al。 , Mapping the Galactic disk with the LAMOST and Gaia Red clump sample。 II。 3D asymmetrical kinematics of mono-age populations in the disk between 6-14 kpc, 2020a, MNRAS, 491, 2104

5。 López-Corredoira M。 , et al。 , Gaia-DR2 extended kinematical maps

Part II: Dynamics in the Galactic disk explaining radial and vertical velocities, 2020, A&A, in press

6。 Xu Y。 , et al。 , Rings and Radial Waves in the disk of the milky way, 2015, APJ, 801, 105

7。 Xiang M。 -S。 et al。 , The Ages and Masses of a Million Galactic-disk Main-sequence Turnoff and Subgiant Stars from the LAMOST Galactic Spectroscopic Surveys, 2017, APJS, 232, 2

作者簡介

王海峰:雲南大學中國西南天文研究所博士後、中國科學院LAMOST特聘青年研究員。研究領域:銀河系化學動力學結構、星團與星際介質、天文大數據分析等。

李雙:中國科學院國家天文台工程師,LAMOST運行和發展中心宣傳主管。