近日，中外科學(xué)家繪制出目前最精確的銀河系結(jié)構(gòu)圖，明確銀河系是一個(gè)具有4條旋臂的棒旋星系。
銀河系結(jié)構(gòu)是天文學(xué)中長期懸而未決的重大科學(xué)問題。美國、德國和中國的天文學(xué)家主導(dǎo)成立了“銀河系棒和旋臂結(jié)構(gòu)遺珍巡天”重大科學(xué)計(jì)劃，經(jīng)過十余年研究最終破解。這是人類繼認(rèn)識(shí)地球和太陽系后，跨入巨大銀河系的關(guān)鍵一步。
歷經(jīng)17年，美國、德國和中國天文學(xué)家主導(dǎo)的重大科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)繪制出迄今最精確銀河系結(jié)構(gòu)圖，清晰地展示銀河系是一個(gè)具有4條旋臂的棒旋星系。
美國哈佛—斯密松天體物理中心資深天文學(xué)家、美國科學(xué)院院士馬克·里德和南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授鄭興武聯(lián)合撰寫的《銀河系新視野》，刊登在近日的《科學(xué)美國人》雜志上，成為封面文章。這項(xiàng)研究是人類繼認(rèn)識(shí)地球和太陽系后，跨入我們居住的巨大銀河系的關(guān)鍵一步。
距離遙遠(yuǎn) 觀測困難
一直未能看清銀河系結(jié)構(gòu)
銀河系結(jié)構(gòu)是天文學(xué)中長期懸而未決的重大科學(xué)問題。
早在1785年，英國著名天文學(xué)家赫歇爾通過恒星記數(shù)的方法，第一次提出銀河系是一個(gè)由億萬顆恒星組成的扁平系統(tǒng)。但長期以來，這個(gè)扁平的恒星系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直沒有人弄清楚。
鄭興武解釋，是因?yàn)殂y河系太大了，現(xiàn)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(yuǎn)，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(shí)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(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”。
天文學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，如果能精確地測定旋臂上足夠多的天體到太陽的相對(duì)距離，即便身在銀河系內(nèi)部，也完全能從內(nèi)到外勾畫出銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)。于是，尋找能有效勾畫出銀河系結(jié)構(gòu)的示蹤天體或者信標(biāo)，又能精確測量它們距離，成為天文學(xué)家破解這個(gè)難題的唯一途徑。
然而，在銀盤上分布著濃密的塵埃氣體，對(duì)銀河系旋臂上天體的光學(xué)輻射產(chǎn)生非常嚴(yán)重的遮擋。當(dāng)人們到無光污染的大草原仰望天空，用肉眼就可以發(fā)現(xiàn)銀河中心有一個(gè)暗帶，即便使用大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡也只能看清太陽系周圍的天體，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于銀河系的大小。這是光學(xué)天文無法完全探索銀河系結(jié)構(gòu)的原因。
真正廣泛深入地觀測和研究銀河系的結(jié)構(gòu)得益于20世紀(jì)50年代射電和紅外天文學(xué)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(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的觀測和研究，天文學(xué)家普遍認(rèn)為銀河系是一個(gè)棒旋星系。
不過，由于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(xué)家往往借助于一些天體物理模型，間接測量它們的距離。近代天文學(xué)研究表明，這些間接測量的方法有很多問題。這也導(dǎo)致了銀河系結(jié)構(gòu)的一些最基本的問題仍然沒有得到解決。
國際合作 數(shù)據(jù)共享
天文學(xué)家合力破解難題
為加深對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，21世紀(jì)初，美國、德國和中國的天文學(xué)家主導(dǎo)成立了由8個(gè)國家22位天文學(xué)家參加的“銀河系棒和旋臂結(jié)構(gòu)遺珍巡天”重大科學(xué)計(jì)劃，簡稱貝塞爾計(jì)劃，以紀(jì)念德國天文學(xué)家貝塞爾在1938年第一次測量了恒星的距離。
貝塞爾計(jì)劃用等效口徑為8000多公里的甚長基線干涉陣，采用幾何三角視差方法直接測量大質(zhì)量恒星形成區(qū)中脈澤源的距離和自行。為了確定銀河系結(jié)構(gòu)，科學(xué)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(jié)構(gòu)的極亮天體。這種天體就是大質(zhì)量恒星形成區(qū)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(diǎn)源。
從2003年到2019年貝塞爾重大研究計(jì)劃基本結(jié)束，研究團(tuán)隊(duì)測量了銀盤上163個(gè)大質(zhì)量恒星形成區(qū)中脈澤源的距離和自行，結(jié)合國際上其他團(tuán)組測量的37個(gè)脈澤源，共獲得了銀河系中近200個(gè)大質(zhì)量恒星形成區(qū)的距離和自行。
“為了測量一個(gè)脈澤源的距離和它的自行，在地球上由10個(gè)天線組成的甚長基線干涉陣，在一年內(nèi)至少要觀測5次，每次觀測時(shí)間約為5小時(shí)，每一小時(shí)的觀測約需要20個(gè)小時(shí)的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和寫報(bào)告。在十余年中，我國貝塞爾課題組成員大部分時(shí)間都在默默地觀測和數(shù)據(jù)處理中。”鄭興武介紹，國際團(tuán)隊(duì)成員處理后的數(shù)據(jù)，均進(jìn)行了共享。
據(jù)介紹，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)大質(zhì)量恒星形成區(qū)在銀盤上的螺旋形位置分布的突跳和間斷進(jìn)行分析和彌補(bǔ)。最終，從研究團(tuán)隊(duì)所測量大質(zhì)量恒星形成區(qū)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(jié)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(jié)構(gòu)圖。
在天文學(xué)家觀測到的宇宙較亮的河外星系中，旋渦星系約占整個(gè)星系數(shù)的80%，而棒旋星系約占旋渦星系的2/3，銀河系是宇宙中普通的一個(gè)星系，4個(gè)旋臂分布相對(duì)比較對(duì)稱。相比較于不規(guī)則星系，我們居住的銀河系是一個(gè)旋臂勻稱美麗的星系。該項(xiàng)研究成果徹底解決了銀河系究竟有幾條旋臂這一天文學(xué)中長期爭論而未解決的重大科學(xué)問題。它為現(xiàn)代天體物理學(xué)具有挑戰(zhàn)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(jù)。
“銀河系棒和旋臂結(jié)構(gòu)遺珍巡天計(jì)劃”給出了太陽系在銀河系中有關(guān)它的位置和運(yùn)動(dòng)的重要信息。從主要由中國天文學(xué)家觀測和研究的結(jié)果分析，表明太陽系不在4條主旋臂上，而非常接近于獨(dú)立于這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(zhì)量恒星形成區(qū)可與其他4條主旋臂類似，或許不是一個(gè)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(yǎng)和學(xué)科發(fā)展
在由美國、德國和中國的天文學(xué)家為主導(dǎo)的貝塞爾計(jì)劃中，中國天文學(xué)家起著重要作用，計(jì)劃中有一半成果來自中國團(tuán)隊(duì)。中國成員來自南京大學(xué)、紫金山天文臺(tái)、上海天文臺(tái)和國家授時(shí)中心。
2003年，中外科學(xué)家合作取得里程碑式的成果，也是促成貝塞爾計(jì)劃的開創(chuàng)性工作。2013年，貝塞爾計(jì)劃中以紫金山天文臺(tái)研究人員為首的科研團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)并精確測定了距離地球最近的銀河系本地臂的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)。2016年，紫金山天文臺(tái)研究員徐燁、李晶晶博士發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的銀河系內(nèi)最長的一個(gè)旋臂次結(jié)構(gòu)。同時(shí)結(jié)合其他觀測證據(jù)，他們率先提出，銀河系不是以前公認(rèn)的單純由宏偉、規(guī)則的螺旋形主旋臂組成，而是類似于一些河外星系，在主旋臂間有著很多次結(jié)構(gòu)的復(fù)雜棒旋渦星系。
截至2019年底，在貝塞爾計(jì)劃的163個(gè)目標(biāo)脈澤源中，中國天文學(xué)家觀測分析了其中85個(gè)源。貝塞爾計(jì)劃在國際知名的天文和天體物理刊物上發(fā)表了35篇論文，其中中國天文學(xué)家發(fā)表了16篇。
此外，上海天文臺(tái)研究員張波、國家授時(shí)中心研究員吳元偉、南京大學(xué)胡波博士的觀測和研究，都對(duì)繪制出銀河系結(jié)構(gòu)圖做出了重要貢獻(xiàn)。“參加這一重大科學(xué)計(jì)劃將助推我國甚長基線天體測量學(xué)科的發(fā)展，培養(yǎng)出一批年輕天文學(xué)家，走在國際甚長基線天體測量學(xué)科的最前列。這個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展還可能為精密天體測量的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)方法支撐。”鄭興武說。
姚雪青
關(guān)鍵詞： 銀河系結(jié)構(gòu)圖
