中美科学家绘制迄今最精确的银河系结构图

2020-05-29 09:42:30 环球科学 [探宇宙]

制图:罗恩·米勒(Ron Miller)

  撰文 | 马克·J·里德(Mark J。 Reid)、郑兴武

  翻译 | 沈俊太

  长期以来,我们对银河系知之甚少,我们甚至不知道太阳在银河系中的具体位置。不过,天文学家最近利用一些观测数据,绘制了全新的“银河系图”,这幅图将刷新我们对银河系、星系形成的认识。而且通过这幅地图,我们还知道,太阳几乎正好位于银河系盘的中心平面上。

  几百年前,探险家们远渡重洋,横贯未知大陆,绘制了详细的地图。在过去的半个世纪中,人类发射的太空探测器已经拍摄了太阳系的大部分区域。然而,尽管我们已经了解太阳系这个天文后院,但对自己所处的宇宙大社区——银河系——的了解却不够。原因很明显,恰如“不识庐山真面目,只缘身在此山中”,我们无法离开银河系而回眸银河系的全景。

  也许,你可以梦想我们发射一艘航天器,让它驶离我们的银河系后,再回头拍张银河系的全景照片,但是航天器只有经过数百万年的旅程后,才能做到这一点,这显然是不切实际的。我们还有很多关于银河系的悬而未决的问题,例如银河系有多少条旋臂,最接近太阳的一种大型结构是否可以算作一条独立旋臂,以及我们太阳系在银河系中处于什么位置。

  然而,科学家最近正努力从内到外测绘银河系,从而能首次绘制准确的银河系结构图。这个美好的前景是数个高级射电和光学大型望远镜项目共同努力得到的结果,其中包括我们主导的银河系“棒和旋臂结构遗产性巡天计划”(Bar and Spiral Structure Legacy Survey,简称BeSSeL计划)。我们获得了甚长基线阵(Very Long Baseline Array)前所未有长达5000小时的观测时间。

  我们的项目的初步结果为人们提供了一幅全新的银河图。除了更好地了解银河系的整体图像外,我们还开始澄清为什么银河系这样的星系会呈现出旋涡结构,以及我们的银河家园是如何与整个宇宙融为一体的。

  宇宙邻里

  十九世纪初期,第三任罗塞伯爵威廉·帕森斯(William Parsons)建造了一台口径为72英寸的望远镜——按当时的标准,这是一台“巨大的”望远镜。他观测并画出了明显有旋涡型旋臂图案的M51星云(我们现在称之为涡状星系,Whirlpool Galaxy)。然而,在不知道M51有多远或银河系尺度的情况下,我们不清楚涡状星系是我们所处的银河系中的一个小结构,还是一个与银河系类似的星系。

  关于这些问题的辩论一直持续到二十世纪初。直到美国科学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)使用亨利埃塔·利维特(Henrietta Leavitt)发展的技术测量出我们到一些明亮恒星的距离后,我们才了解到,涡状星系和其他旋涡星云都处于银河系之外,而且与银河系相似。这个发现颠覆了银河系即是整个宇宙的观念。

  银盘是构成银河系主体的薄饼状区域,通过测量整个银盘中气体的运动,天文学家发现我们其实生活在一个旋涡星系中。星系的主要常见类型包括旋涡星系和椭圆星系两种。从远处看到的银河系的模样可能很像近邻旋涡星系NGC 1300和风车星系(M101)。NGC 1300的中心具有一个明亮的长条形结构,天文学家称其为星系的棒结构。两条蓝色的旋臂从棒结构的两个末端伸出,并围绕中心棒逐渐向外延伸。

  大多数旋涡星系中都具有棒结构,一般认为这种结构是因星系致密盘的引力不稳定性而形成的。然后,中心的棒结构会旋转,产生搅拌作用,进而可能促进旋臂的形成(其他过程,例如盘内大质量团块引起的引力不稳定性或临近星系的引力扰动,也可能导致旋臂的形成)。在蓝光波段更容易看到旋臂,这是因为旋臂是正在形成恒星的巨大恒星产房,更容易发出蓝光。风车星系M101是另一个可能类似银河系的星系。尽管风车星系没有NGC 1300的中心棒,但它有更多的旋臂。

我们可能生活在一个四旋臂的旋涡星系(银河系)中,它具有一个明亮且对称的中心棒。| 图片来源:XING-WU ZHENG AND MARK REID Bar and Spiral Structure Legacy Survey/Nanjing University/  Center for Astrophysics, Harvard and Smithsonian (Milky Way chart and illustration)

  我们可能生活在一个四旋臂的旋涡星系(银河系)中,它具有一个明亮且对称的中心棒。| 图片来源:XING-WU ZHENG AND MARK REID Bar and Spiral Structure Legacy Survey/Nanjing University/  Center for Astrophysics, Harvard and Smithsonian (Milky Way chart and illustration)

  天文学家一直认为,银河系可能具有NGC 1300和M101这两个星系的特征:可能有类似NGC 1300那样的明显的长棒结构,也像M101一样具有多条旋臂。但是,除了这些基本结论外,仍有很多争议之处。例如,斯皮策(Spitzer)太空望远镜在十多年前的红外观测结果表明,银河系可能只有两条主旋臂。而对原子氢和一氧化碳的射电波段观测表明,银河系具有四条旋臂。在河外星系里,这些气体是集中在旋臂上的。除旋臂特征之外,天文学家还在争论太阳离银河系中心有多远,以及太阳相对于银河系中平面(即盘中心平面)的垂向高度是多少。

  大约70年前,科学家计算了附近一些很亮的蓝色恒星离我们的距离。如果把这些恒星标识在银河系结构图上就会发现,它们是三条相邻的旋臂的一部分。我们将这三条旋臂称为人马臂、本地臂和英仙臂。大约在同一时间,从1950年代开始,射电天文学家观测到了原子氢气体,这种气体会发射波长为21厘米的特征射电信号。当这种原子氢气体相对于地球运动时,它的特征射电频率会因多普勒效应而发生偏移,从而使天文学家能够利用频率偏移来测量这种气体的运动速度,进而绘制出它们在银河系中的位置分布。

  利用这种测量方法,天文学家采用了一个以太阳为中心的坐标系:类似于地球仪的经度和纬度,银经(l)以对着银河系中心的方向为零,并在银河系的“赤道”平面内顺时针方向增加(从北天球看银河系);银纬(b)表示垂直于银盘平面的角度。氢原子气体的21厘米特征射电信号在银经-速度图中显示出连续的结构,其很可能示踪了银河系的多条旋臂结构。后来绘制的一氧化碳分子气体的银经-速度图也展现了类似的特征。但是,这种间接映射方法可能存在歧义,也不够准确,难以清晰地展示银河系的旋臂结构。

  一个新视野

  我们对银河系结构知之甚少的一个原因是,银河系中有大量的尘埃。尘埃可以有效地吸收可见光,因此在大多数视线方向上,尘埃都遮挡了我们的视线,让我们看不到很远的地方。另一个原因是,银河系尺度之大令人咋舌:银河另一侧的恒星发出的光要经过5万年以上的时间才能到达地球。如此遥远的距离甚至使我们很难分辨出哪些恒星离我们近,哪些恒星离我们远。

  现在,在太空中运行的新型光学望远镜,以及分布在全球的新型射电望远镜可以让我们更好地回答有关银河系的种种问题。盖亚空间天体测量卫星项目(Gaia mission)于2013年启动,旨在测量银河系中近十亿颗恒星的精确距离,这无疑将革命性地改变我们对银河系形成过程中不同星族的认识。但是,由于盖亚卫星是在可见光波段进行观测,而可见光易被星际尘埃颗粒吸收散射,所以盖亚在观测离我们非常遥远的旋臂时,可能会受到星际尘埃的影响。相反,由于射电波很容易穿过尘埃,因此射电望远镜可以探测整个银盘,我们就可以利用这类望远镜的观测结果来绘制银盘的整体结构图。

  目前,绘制银河系结构图的两个主要观测项目都是使用射电天文学中的甚长基线干涉测量技术(very long baseline interferometry,VLBI)。日本的 VERA(VLBI Exploration of Radio Astrometry)项目使用了4台射电望远镜,分布范围从日本北部(岩手县水泽市)到日本最南端的冲绳石垣岛和最东端的小笠原群岛,横跨整个日本。而我们的BeSSeL巡天计划使用的甚长基线阵列(Very Long Baseline Array)包括10台望远镜,分布范围从美国夏威夷到新英格兰再到美属维尔京群岛的圣克罗伊岛,横跨西半球的大部分地区。

  由于构成甚长基线阵列的望远镜之间的距离几乎和地球直径相当,因此该阵列可以获得的角分辨率远远超过其他任何望远镜在任何波长下的分辨率。研究人员必须用该阵列的所有望远镜同时观察,并用世界上最好的原子钟,让每个站点的计算机同步记录数据。然后,他们将记录的数据运送到一台专用计算机,由该计算机对各望远镜收集的信号进行处理。如果我们的眼睛对射电波敏感,那么经过校准的图像即是我们在射电波段可看到的一张几乎被整个地球的宽度所解析的超高清数字图像。

银河系结构图:利用多台射电望远镜,天文学家对银河系进行了数千小时的观测,测量了一些天体结构之间的距离。下图是有史以来最好的银河系结构鸟瞰图。数据展示了围绕银河系中心的四个主要的旋臂结构。我们的太阳(天文学家将其视为四象限测绘坐标的中心)会围绕银河系运转,环绕一周大概需要2.12亿年。靠近太阳轨道的地方,有一条较小的旋臂(蓝色)。未来,使用南半球上的射电望远镜开展的研究可能会揭示出第四象限中大部分目前未直接观测到的其他结构。| 制图:埃琳娜·哈特利(Elena Hartley)

  银河系结构图:利用多台射电望远镜,天文学家对银河系进行了数千小时的观测,测量了一些天体结构之间的距离。下图是有史以来最好的银河系结构鸟瞰图。数据展示了围绕银河系中心的四个主要的旋臂结构。我们的太阳(天文学家将其视为四象限测绘坐标的中心)会围绕银河系运转,环绕一周大概需要2.12亿年。靠近太阳轨道的地方,有一条较小的旋臂(蓝色)。未来,使用南半球上的射电望远镜开展的研究可能会揭示出第四象限中大部分目前未直接观测到的其他结构。| 制图:埃琳娜·哈特利(Elena Hartley)

  这样的图像具有令人难以置信的角分辨率优于0.001角秒:如果把整个天球均分为360度,那么1角秒为1/3600度)。相比之下,人眼最多只能分辨约40角秒的结构,即使哈勃太空望远镜也只能实现约0.04角秒的分辨率。

  利用VLBI,我们可以测量出一颗在射电波段很明亮的恒星相对于背景类星体的位置(类星体其实是位于遥远星系中心的、明亮的活跃黑洞),其精度接近0.00001角秒。这样,我们可以通过测量三角视差效应来测量非常远的距离。三角视差效应是指从不同的位置观测时,附近天体也相应地出现在背景星空中的不同位置。你可以将手臂向前伸开,举起大拇指,并通过交替闭合左右眼观察大拇指来模拟这种效果。因为我们两眼间距为几厘米,因此用左右两眼交替观测离我们一臂距离的大拇指时,拇指相对遥远的背景物体来说,会出现大约6度的偏移。如果我们知道两次观测位置的间距,以及观察到的角位移,就很容易计算出我们与观测目标的距离。这与测绘人员绘制城市地图的原理相同。

三角视差测距法:天文学家从地球公转轨道的两端分别观测时,恒星在背景天空中的位置会发生偏移,这个偏移被称为视差角,可以用来测量恒星与我们的距离。一颗恒星离地球越近,其视差角就越大。与已知的日地距离相结合,恒星的三角视差使天文学家可以使用基本的三角函数来计算该恒星与地球的距离。| 制图:埃琳娜·哈特利(Elena Hartley)

  三角视差测距法:天文学家从地球公转轨道的两端分别观测时,恒星在背景天空中的位置会发生偏移,这个偏移被称为视差角,可以用来测量恒星与我们的距离。一颗恒星离地球越近,其视差角就越大。与已知的日地距离相结合,恒星的三角视差使天文学家可以使用基本的三角函数来计算该恒星与地球的距离。| 制图:埃琳娜·哈特利(Elena Hartley)

  在理想情况下,天文学家要绘制旋臂结构图应该观测年轻的大质量恒星。这些短寿命的恒星通常与旋臂内剧烈的恒星形成过程有关,并且此类恒星温度很高,它们可以电离周围的气体,使其发出蓝光,因此在理论上,这些恒星在可见光波段可以作为观测星系旋臂的灯塔。

  但是,由于这些恒星被银河系的尘埃盘所包围,我们无法轻易地在整个银河系中观测到此类恒星。幸运的是,这些炽热恒星电离区域外的水分子和甲醇分子可以作为非常明亮的射电源,因为它们会发射出大量的几乎没有被银河尘埃衰减的天然“脉泽”(maser)。脉泽一词为“受激辐射的微波放大”(microwave amplification by stimulated emission of radiation)的首字母缩写,也就是说,脉泽其实就是处于射电波段的激光。在天体物理环境中,脉泽辐射来自质量与木星相当的太阳系尺度的气体云。脉泽源在射电图像中表现为非常明亮的点源。因此,脉泽源是三角视差测量的理想目标。

  银河系新图景

  通过BeSSeL项目和VERA项目,天文学家已经使用三角视差法量了约200个年轻炽热恒星的距离。这些数据横跨银河系,大约覆盖了银河系三分之一的区域,并揭示了四条很长的旋臂

  由此绘制而成的“银河系图”还显示,太阳非常接近银河系的第五条旋臂,这似乎是一段孤立的旋臂,被称为“本地臂”。此前,该段旋臂被称为“猎户臂刺”或“本地臂刺”,也就是说,这条旋臂类似于从其他星系的主旋臂伸出的小型附属结构。但是,对这种“臂刺”的解释可能是错误的。在我们BeSSeL的数据中,这条旋臂是孤立的,绕着银河系旋转了不到四分之一圈。虽然本地臂的长度较短,但在这条臂中,恒星形成率可与同样长度的英仙臂段相当。有趣的是,天文学家曾认为英仙臂是银河系的两条主旋臂之一(另一条是盾牌-半人马臂)。但是,我们发现随着英仙臂远离太阳,朝着银河系内延伸时,恒星的形成率显著减少。这表明对于外部观测者而言,英仙臂似乎并不是一条非常明显的旋臂。

  通过绘制大量年轻恒星的三维位置,并对它们的运动速度进行测量建模,我们可以推算出银河系的基本参数。我们发现,太阳到银河系中心的距离为8150±150秒差距(即26600光年)。这比几十年前国际天文联合会建议的8500秒差距的值要小。此外,我们发现银河系在太阳位置处以236千米/秒的速度旋转,这大约是地球绕太阳旋转速度的8倍。根据这些参数值,我们发现太阳绕银河系旋转一圈需要大约2.12亿年。这也意味着,上一次我们的太阳系处在银河系现在的位置时,恐龙仍在地球上漫步。

  处于太阳位置之内的银河系内盘非常薄,几乎是一个平坦的平面。但太阳相对于该平面的垂向高度一直存在争议。最近,一些天文学家测得太阳比内盘面高25秒差距(82光年),但我们的测量值与这一估值有较大的不同。通过拟合具有精确距离和位置的大质量恒星所处的平面,我们可确定太阳仅比该平面高约6秒差距(20光年)。这一高度仅为太阳到银河系中心距离的0.07%,这意味着太阳非常靠近银盘的中平面。我们还证实了前人观测到的银河系翘曲,即银河系外盘面逐渐偏离内盘面,在北侧开始向上弯曲,而在南侧向下弯曲,有点像弯曲的土豆片。

  为了便于描述观测结果,天文学家通常将银河系划分为以太阳为中心的四个象限。使用这种坐标,我们在前三个象限中都找到了旋臂。为了绘制第四象限的图,则需要处于南半球的观测设备。我们正在开展南半球的观测项目,计划使用澳大利亚和新西兰的望远镜进行观测。

天空上的鹰眼:测量银河系另一侧恒星形成区的微小视差角需要极高的角分辨率,目前只有通过精确合并来自全球多个射电望远镜的同时观测数据才能获得极高的角分辨率。该图显示了甚长基线干涉测量法这项技术的强大功能,其分辨率比哈勃太空望远镜最清晰的图像还要高约40倍。| 制图:埃琳娜·哈特利(Elena Hartley)

  天空上的鹰眼:测量银河系另一侧恒星形成区的微小视差角需要极高的角分辨率,目前只有通过精确合并来自全球多个射电望远镜的同时观测数据才能获得极高的角分辨率。该图显示了甚长基线干涉测量法这项技术的强大功能,其分辨率比哈勃太空望远镜最清晰的图像还要高约40倍。| 制图:埃琳娜·哈特利(Elena Hartley)

  在等待这些观测结果的同时,我们可以先用来自原子氢和一氧化碳的观测信息,将已知旋臂外推到第四象限。这些观测揭示的旋臂结构与先前理论上猜想的矩尺-外臂(Norma-Outer)、盾牌-半人马臂(Scutum-Centaurus-Outer-Scutum-Centaurus)、人马-船底臂(Sagittarius-Carina)、英仙臂(Perseus)的结构相吻合。不过需要注意的是,我们对远离银河系中心的恒星形成区域只做过一次观测。我们观测到的这个区域的距离,再结合它在一氧化碳的银经-速度图中的位置,让我们对如何在“地图”上连接银河系另一端的旋臂有了一定的信心。

  但是,我们需要更多的观测来验证我们的模型。现在,我们对自己的银河家园有了更清晰的了解。我们可能生活在一个四旋臂的旋涡星系中,它具有一个明亮且对称的中心棒。我们的太阳几乎完全位于银盘中平面上,但太阳远离银河系中心,大约在银河半径的三分之二处。除了几乎可以环绕银河系一周的旋臂之外,银河系还有至少一个额外的旋臂段(本地臂),并且各主要旋臂都可能有许多分叉。这些旋臂特征使我们的银河系显得相当正常,但肯定不是典型的。大约三分之二的旋涡星系都有中心棒结构,因此银河系属于占旋涡星系绝大多数的棒旋星系。然而,银河系拥有四条清晰、明确且相当对称的旋臂,这使得银河系显得比较独特,因为大多数旋涡星系的旋臂都少得多,并且旋臂也比较凌乱。

  更多谜团

  尽管我们得到了一些新的答案,但仍有很多悬而未决的重要问题。天文学家仍在争辩旋臂是如何产生的。关于这个问题有两种相互竞争的理论,一种理论认为,整个银河系尺度上的引力不稳定性会形成持久的螺旋形旋臂图案的密度波;另一种理论则认为,一些旋臂片段会随着时间的流逝,因为小尺度上的不稳定性而被拉伸、放大,进而连接起来,形成更长的旋臂。在前一种理论中,旋臂可以持续数十亿年,而在后一种理论中,虽然旋臂的寿命较短,但新的旋臂在银河系的整个演化历史中会出现多次。

  由于银河系没有明确的出生日期,因此很难弄清楚它的准确年龄。目前流行的观点是,随着宇宙历史上先形成的许多较小的原星系发生碰撞和并合,它们逐渐融合在一起,形成了现在的银河系。

  银河系大概在50亿年前就已经是一个大型星系,但在那时,它看起来可能与现在大不相同,因为星系并合过程很可能会打散任何已有的旋臂结构。

  我们需要更多的观测结果来改进我们现有的银河系结构图景,而下一代支持VLBI的射电望远镜阵列将为此提供便利。这种正在规划中的射电阵列包括非洲的平方公里阵列(Square Kilometer Array)和北美的下一代超大型阵列(Next Generation Very Large Array)。两者都是跨越整个大陆的巨大射电望远镜阵列,预计21世纪20年代末它们可以全面投入使用。与现有阵列相比,它们的信号收集面积将大大增加,因此能够探测到来自恒星的微弱射电辐射,使我们在银河系中的视线可以达到更远。最终我们希望明确绘制出银河家园的建筑结构图,以证实或证伪银河系宏伟旋臂结构的形成理论。


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