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银河系是什么形状?旋臂匀称美丽

[导读]:《科学美国人》近日刊登了由美国哈佛-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题为银河系新视野的封面文章...

  《科学美国人》近日刊登了由美国哈佛-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题为“银河系新视野”的封面文章,总结了由他们两人及德国马普射电天文研究所卡尔·门滕教授所领导的国际团队,历经15年时间对银河系结构潜心研究的成果。

  该团队用甚长基线干涉技术精确测量位于银盘上近200个大质量恒星形成区的自行和距离,得到银河系旋臂的结构、太阳系的位置以及它绕银河系中心旋转的速度,绘制出尺度为10万×10万光年的全新银河系结构图。该图是迄今最精确的银河系结构图,它清晰地展示银河系是一个具有四条旋臂的棒旋星系,彻底解决了银河系究竟有几条旋臂这个天文学中长期悬而未决的重大科学问题。

  银河系结构是天文学的重大科学问题之一。据郑兴武教授介绍,主要原因是银河系直径估计约为10万至18万光年,太阳系离银河系中心很远,且位置接近银盘中心面,因此我们所看到的旋臂都重叠投影在天球上而无法分辨,正是“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。但如果能精确地测定旋臂上足够多的天体到太阳的距离,也完全能从内到外勾画出银河系的旋臂结构。然而,在银盘上分布着浓密的尘埃和气体,对银河系旋臂上天体的光学辐射产生非常严重的消光,即使用大光学望远镜也只能看清银盘上6000光年以内的天体,这远远小于银河系的大小。

  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。天文学家用射电和红外望远镜发现,银河系旋臂上的大质量恒星形成区中除了有光学辐射的天体之外,还有更多的、在光学不可见的射电和红外辐射天体以及孕育它们的冷分子气体和尘埃,它们都可以作为银河系结构的示踪天体。更重要的是,射电和红外辐射能穿透银道面上弥漫的星际介质(气体和尘埃),让我们直达银河系的边缘。

  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。然而,由于不能准确测定大质量恒星形成区中年轻天体的距离,银河系结构的一些最基本的问题——如银河系究竟有几条旋臂、太阳在银河系中的精确位置和运动等,仍没有解决。

  21世纪初,由中国、美国、德国、意大利、荷兰、韩国、日本和波兰共8个国家的22位天文学家,筹划建立了“银河系棒和旋臂结构遗珍巡天”(简称“贝塞尔”)重大科学计划。“贝塞尔计划”用等效口径为地球直径的甚长基线干涉阵,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自行,从而获得它们的精确距离(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年开始,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自行和距离,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。这些大质量恒星形成区在银盘上的分布清晰地勾画出4条主旋臂,它们分别是英仙臂、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,最终绘制出了银河系结构图,它是一个具有4条旋臂的棒旋星系。在河外星系中,棒旋涡星系是一个大家族。银河系是一个普通的星系,也是一个旋臂匀称美丽的星系。

  科学家研究发现,我们居住的太阳系不在四条主旋臂上,而非常接近于独立于这四条主旋臂的一条本地臂上。这条本地臂位于英仙臂和人马-船底臂之间,长度约为20000光年,比以前估计的要大得多,它的形状和包含丰富的大质量恒星形成区可与其他4条主旋臂类比。本地臂或许不是孤立的臂段,极有可能是邻近英仙臂和人马-船底臂的一部分。太阳离银河系中心距离为26000光年,绕银心旋转速度为236千米/秒,即绕行一周大约要2.12亿年。太阳几乎在银盘的中心平面上,距中心面垂直距离约为20光年,比以前的估计值82光年要小。

  据悉,“贝塞尔计划”研究团队中的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。15年来,中国团队本着共同发起、共同组织、资源互补、成果共享的原则在“贝塞尔计划”中发挥了重要作用。

  2003年,南京大学天文与空间科学学院徐烨博士、郑兴武教授、美国哈佛-斯密松天体物理中心里德博士和德国马普射电天文研究所门腾教授合作,利用甚长基线干涉技术首次成功地精确测量了英仙臂大质量恒星形成区W3OH中甲醇脉泽源的三角视差和自行,得到该大质量恒星形成区的距离为6360±40光年,测量精度高达2%,这是有史以来对如此遥远的天体精度最高的距离测量。从该脉泽源的自行和视向速度,获得了这个大质量恒星形成区在银河系里的三维运动状况,研究银河系旋臂的运动学性质。这项工作预示了直接测量银河系旋臂结构和运动的可行性。该成果在2006年1月以封面论文在《科学》上发表,是促成“贝塞尔计划”的开创性工作。此后,中国成员提出和参加了前导实验观测,研究结果为实施“贝塞尔计划”打下了坚实基础。

  到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篇论文。通过参加该重大科学计划,助推了我国甚长基线天体测量学科的发展,培养了年轻天文学家,使他们走在国际甚长基线天体测量学科的最前列。

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