“本星系群”的新發(fā)現(xiàn)

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

“本星系群”的新發(fā)現(xiàn)

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

何銳思（Richard de Grijs）北京大學科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負責人。

美國天文學會（AAS）在每年1月份舉行冬季年會，我是《天體物理通訊》（The Astrophysical Journal Letters）的副主編，而《天體物理通訊》是隸屬于美國天文學會的一本專業(yè)天文學期刊，因此參加這個年會也是我的工作之一。除了3年1屆的國際天文學聯(lián)合會（IAU）例行會議，美國天文學會的冬季年會算是全世界天文學家最大規(guī)模的會議，有來自天文學各分支領(lǐng)域的超過3000名天文學家參加。

今年年會在西雅圖召開，我主持了“有新恒星形成的星系”的會議，還參加了一些與“本星系群”星系結(jié)構(gòu)有關(guān)的會議。本星系群由銀河系、仙女星系（M31）、三角星系（M33）、大/小麥哲倫星系和諸多矮星系組成。考慮到實際研究中的便利性，往往還將距離銀河系和仙女星系100萬秒差距（約300萬光年）以內(nèi)的星系都包括在內(nèi)。這次會議上聽到的許多新進展都非常激動人心，因此我將在本期的“天文視點”中介紹其中的一些重點。

圖1仙女星系的局部鳥瞰圖。這是目前我們獲得的鄰近星系最清晰的圖像。[來源：N A S A, E S A, J. D a l c a n t o n, B.F. Wi l l i a ms, a n dL.C. J o h n s o n (U n i v e r s i t y o f Wa s h i n g t o n), t h e P H A T t e a m, a n d R. Ge n d l e r]

有關(guān)仙女星系的令人興奮不已的成果之一，是“哈勃多色仙女座寶藏”（P a n c h r o m a t i c H u b b l e A n d r o m e d a T r e a s u r y，P H A T）項目利用哈勃空間望遠鏡（H S T）所攝照片拼接出的有史以來最大的星系圖片。這張仙女星系部分區(qū)域的大范圍鳥瞰圖（圖1），是我們目前獲得的近鄰星系的最清晰拼接圖。盡管仙女星系距我們超過250萬光年遠，哈勃空間望遠鏡強大的威力卻足以分辨出它盤面上長達61000光年的一段范圍里的每一顆恒星。在這廣闊的視野里有著超過1億顆恒星，其中一些分布于盤面上數(shù)以千計的星團中。這就好比拍下一張海灘照片的同時，還能分解出沙灘上的每一粒沙。

這項雄心勃勃“測繪”仙女星系的工作是研究大型旋渦星系的里程碑。旋渦星系在宇宙中的數(shù)量超過1000億個，宇宙中的大多數(shù)恒星都位于這種巨型的結(jié)構(gòu)當中。以前天文學家們從未能如此大范圍地觀察河外旋渦星系中的恒星，這也是第一張同時展現(xiàn)整個星系和其中恒星的照片。

哈勃空間望遠鏡從照片左邊的星系核出發(fā)——密集的星點從這里向外延伸開去。接著，鏡頭離開星系的核球，沿著布滿恒星和塵埃云的徑線一直移動到星點稀疏的盤面外側(cè)。大量的年輕藍色恒星標示著星團和恒星形成區(qū)。圖1中右側(cè)藍色的環(huán)狀結(jié)構(gòu)即是它們聚集的地方。暗色的輪廓則能勾勒出塵埃云的復雜結(jié)構(gòu)。在這些光鮮復雜的結(jié)構(gòu)下面，是分布在整個星系中冷而紅的恒星，它們見證了星系數(shù)十億年來的演化。

由于仙女星系距地球只有250萬光年遠，它看上去要比哈勃空間望遠鏡通常拍攝的數(shù)十億光年遠的星系大得多。哈勃空間望遠鏡對411個天區(qū)進行了總共7398次曝光才得以拼接出這幅完整的圖像。展示這幅圖像的天文學家告訴我們，如果想在電視屏幕上全分辨率地顯示這張圖像，需要動用超過5000臺寬屏高分辨率顯示器。

我在會議上聽到的第二個重要的進展是有關(guān)仙女星系盤面上恒星運動的精細研究。研究者們發(fā)現(xiàn)它們與銀河系中恒星的運動大不相同，這說明仙女星系在不遠的過去曾和一個小星系碰撞融合。

旋渦星系盤面上恒星的運動與結(jié)構(gòu)是了解星系形成歷史的關(guān)鍵線索。“仙女星系給我們提供了同時從局部和整體觀察一個星系的機會。我們了解銀河系的很多細節(jié)，但沒有辦法從整體上研究它?！泵绹又荽髮W圣克魯茲分校的天文學與天體物理學教授普拉格拉?古哈塔庫爾塔（P u r a g r a G u h a t h a k u r t a）說。

古哈塔庫爾塔的學生克萊爾?道爾曼（C l a i r e D o r m a n）利用仙女星系兩個巡天項目的數(shù)據(jù)進行了研究，其一來自位于夏威夷的凱克天文臺，另一個則來自哈勃空間望遠鏡?！跋膳窍岛阈菚灩庾V和測光巡天”（S p e c t r o s c o p i c a n d P h o t o m e t r i c L a n d s c a p e o f A n d r o m e d a’s S t e l l a r H a l o , S P L A S H）使用凱克天文臺D E I M O S多目標光譜儀測量了仙女星系中超過10000顆亮星的視向速度。近期完成的P H A T巡天則提供了這些恒星中半數(shù)以上的在六個波段的高分辨率成像數(shù)據(jù)。

圖2 哈勃空間望遠鏡拍攝的仙女星系盤面的密集星場。不同年齡的恒星表面溫度不同，因而呈現(xiàn)出不同的顏色和光度。[來源：B e n Wi l l i a ms, P H A T c o l l a b o r a t i o n]

道爾曼在她的發(fā)言中說：“哈勃空間望遠鏡的高分辨率讓我們能分解開仙女星系盤面上密集的恒星，而寬波長覆蓋則讓我們能將它們按年齡分類?！彼难芯匡@示，仙女星系盤面上年輕、中年和老年恒星的運動速度存在差異。這也是首次對河外星系做這樣的測量。

道爾曼的分析還顯示出另一個趨勢：最年輕的恒星繞星系中心的運動相對規(guī)則，老年恒星的運動則非常不規(guī)則。所有“規(guī)則運動”的恒星都以幾乎相同的速度運動，“不規(guī)則運動”的恒星速度的分布則較彌散，同時空間分布范圍也更大。道爾曼解釋說：“假如星系是側(cè)面朝向我們的，‘規(guī)則運動’的恒星會都分布在很窄的一條線上，‘不規(guī)則運動’的恒星則分布在很厚的一層上。”

研究者提出了兩種版本的星系盤面形成與演化過程以解釋他們的觀測。第一種解釋認為，由于與伴星系發(fā)生過融合，所以原本“規(guī)則運動”的盤面曾受到持續(xù)的擾動。之前對仙女星系暈中潮汐星流（t i d a l s t r e a m）的研究證實了它與矮星系發(fā)生過融合的歷史，這種潮汐星流即是那個矮星系的殘骸。道爾曼說，雖然矮星系中的恒星也會加入到星系盤面上，從而影響盤面上的速度分布，但單靠這一點還無法解釋恒星的速度彌散隨年齡的增長。

第二種解釋認為，恒星盤起源于原本很厚且成塊狀的氣體盤，最年老的恒星形成于氣體盤仍很疏松且不規(guī)則的時期，隨著時間推移，氣體盤漸漸變薄定型，運動也變得規(guī)則。最年輕的恒星就形成于這種規(guī)則的盤面上。

道爾曼認為同時考慮兩種機制可以解釋觀測結(jié)果。她說：“我們的發(fā)現(xiàn)將會激勵理論研究者針對這兩種解釋進行更細致的計算機模擬?！迸c我們銀河系明顯不同的恒星運動情況，說明仙女星系在近期有過激烈的融合歷史。道爾曼說：“即使是仙女星系中最‘守序’的恒星也沒有銀河系盤面上的來得‘規(guī)矩’?！?/p>

圖3 圖中的圓點標識了M31中一些光譜巡天目標星的位置。圓點的顏色對應(yīng)于這些恒星相對銀河系的視向速度（正值表示遠離，負值表示靠近），由凱克I I望遠鏡的D E I MOS光譜儀測得。M31的中心大約以300千米/秒的速度向我們運動，而東北方（圖中左上）的恒星向我們運動的速度比較小，說明這些恒星相對M31的中心具有遠離我們方向的速度。[來源：C l a i r e D o r ma n, E u r o p e a n S p a c e A g e n c y]

根據(jù)最近流行的宇宙結(jié)構(gòu)的形成理論，像仙女星系和銀河系這樣的大星系是依靠“吞噬”小的伴星系，吸積它們的恒星和氣體而成長起來的。宇宙學家估計在10000年內(nèi)有70%像仙女星系和銀河系般大小的星系盤曾與較大的伴星系有過交融。銀河系的盤面有點太“守序”了，仙女星系的情況則和理論預期差不多。古哈塔庫爾塔教授說，“這樣看來，反倒是仙女星系盤面上的恒星更正常，銀河系或許單純是個具有異常平靜吸積歷史的個案。”

圖4 S MA S H暗能量照相機拍攝的小麥哲倫星系圖像（紅框內(nèi)）。左邊給出了作為參考的月亮大小。

圖5 位于智利托洛洛山美洲天文臺的4米望遠鏡以及暗能量照相機

我還非常高興聽到了有關(guān)大、小麥哲倫星系研究的新進展。大、小麥哲倫星系是我們銀河系的兩個最亮的伴星系，由于個人的研究興趣，我對它們很有好感。新的研究表明，它們不僅比天文學家原先所計算的要大很多，而且在其邊緣還有著非均勻的結(jié)構(gòu)，這可能是在形成和演化的過程中留下的豐富而復雜的塵埃區(qū)。這是“麥哲倫恒星巡天”（S u r v e y o f t h e M a g e l l a n i c S t e l l a r H i s t o r y, S M A S H）項目的初步成果，主要由一個國際天文學家團隊使用多臺望遠鏡進行觀測——包括位于智利的托洛洛山美洲天文臺（C e r r o T o l o l o I n t e r-A m e r i c a n O b s e r v a t o r y, C T I O）的4米“布蘭科”（B l a n c o）望遠鏡。

大、小麥哲倫星系是南半天球的標志。盡管是以探險家費迪南?麥哲倫的名字命名（他讓歐洲人知道了這兩個天體），但它們其實早就為南半球各文明所熟知。大麥哲倫星系（L M C）橫跨5度的天區(qū)，相當于十個月亮的直徑，在肉眼看來就像是一截“脫落”下來的銀河。它離我們16萬光年遠，星系中最亮的恒星也必須要用望遠鏡才能看到。

正如首席研究員、美國密歇根大學的大衛(wèi)?尼德佛（D a v i d N i d e v e r）所說：“我們對銀河系這樣的大星系的形成已經(jīng)有了較好的認識，但宇宙中大多數(shù)星系都是又暗又小的矮星系。大、小麥哲倫星系是離我們最近的矮星系之一，S M A S H項目可以勾勒出它們的輪廓并幫助我們研究其具體結(jié)構(gòu)，這是之前從未有過的事?！?/p>

美國國家光學天文臺的克努特?奧爾森（K n u t O l s e n）說：“我們從S M A S H的早期工作中了解到，大麥哲倫星系要比我們以前所認為的大得多；而這些（早期）工作才只探測了全部目標天區(qū)的1%。S M A S H正在探測一個20倍大的天區(qū)并證實大麥哲倫星系的大小，同時也讓我們有機會仔細地繪制出它的結(jié)構(gòu)?！笨伺?奧爾森是S M A S H團隊的領(lǐng)導者之一，他的團隊在距大麥哲倫星系角距離20度（實際距離5.5萬光年）的地方找到了屬于大麥哲倫星系的恒星。他們借助裝在C T I O“布蘭科”望遠鏡上的新相機——“暗能量照相機”（D E C a m）——使S M A S H項目得以在更廣闊的視野中鑒定暗星。

用“布蘭科”望遠鏡可以探測到非常彌散的星際結(jié)構(gòu)，暗至銀河最暗淡部分的40萬分之一。這正是依靠了D E C a m相機在大范圍天區(qū)中辨別暗弱恒星的能力。這讓科學家們可以探測到原來無法看到的暗弱結(jié)構(gòu)。

S M A S H團隊同時還在尋找“麥哲倫流”：一個連接大、小麥哲倫星系并向前后繼續(xù)延伸的氣體結(jié)構(gòu)。“麥哲倫流”在30年前首次被射電望遠鏡探測到，非常清楚地展現(xiàn)了兩個星系的相互作用以及它們和銀河系的關(guān)聯(lián)。天文學家長期以來希望能發(fā)現(xiàn)“星流”中的恒星但一直無果。這很可能是因為其中的恒星都太過暗淡，除非使用更好的相機，否則很難探測到。大衛(wèi)?尼德伏說：“S M A S H發(fā)掘超暗結(jié)構(gòu)的能力不僅讓我們能找到‘麥哲倫流’中的恒星，還能繪出星流的結(jié)構(gòu)，從而大大增加我們對大、小麥哲倫星系間相互作用過程的理解。”

圖6 C T I O B l a n c o望遠鏡和它背后的星空。星空由可見光和射電波段的照片疊加而成。藍色和紫色的云氣是氫云，它連接了小麥哲倫星系（圖片右上）和大麥哲倫星系（圖片右中），并且繼續(xù)延伸，橫貫天空。綠色圓圈顯示了S MA S H巡天項目的D E C a m指向，在這些位置都發(fā)現(xiàn)了大、小麥哲倫星系中的恒星。[來源：K. O l s e n (N O A O/A U R A/N S F), S MA S H t e a m, R o g e r S mi t h, a n d N. Mc C l u r e-G r i f f i t h s]

圖72014 年，光學引力透鏡實驗（OGL E）項目組的波蘭天文學家發(fā)現(xiàn)了一條連通兩個麥哲倫星系的年輕恒星橋。（左為小麥哲倫星系，右為大麥哲倫星系。）

最后，2015年的1月份還見證了我們理解銀河系結(jié)構(gòu)的一大進步。這項工作是由中國天文學家做出的。我們太陽系位于銀河系之中，因此如何了解銀河系的全貌就成了很困難的問題。事實上直到1852年，銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)才被天文學家斯蒂芬?亞歷山大（S t e p h e n A l e x a n d e r）提出。自此之后，無數(shù)新發(fā)現(xiàn)涌現(xiàn)，改變著我們對它的認識。

數(shù)十年以來天文學家都認為銀河系有四條從中心向外圍延伸、由恒星和形成恒星的星云構(gòu)成的螺旋狀旋臂。在2008年，斯皮策空間望遠鏡（S p i t z e r S p a c e T e l e s c o p e）的數(shù)據(jù)似乎表明銀河系只有兩條旋臂，還有一個大得多的中央棒狀結(jié)構(gòu)。這次，中國的科學家發(fā)現(xiàn)銀河系的一條旋臂延伸到了遠超過預期的地方，幾乎繞了銀河系一圈。這條被稱為“盾牌-半人馬臂”的旋臂從核棒的一端發(fā)出，從我們太陽系和銀心之間穿過，延展到星系的對面。幾十年來那里都一直被認為是這條旋臂的終點。

然而2011年的時候，美國哈佛-史密森天體物理中心的托馬斯?達姆（T h o m a s D a m e）和帕特里克?薩迪厄斯（P a t r i c k T h a d d e u s）在銀心對面稍遠的地方發(fā)現(xiàn)了似乎屬于該旋臂的部分。但根據(jù)中國紫金山天文臺天文學家孫燕和其同事的說法，“盾牌-半人馬臂”還要延伸到更遠。他們使用了一種新方法研究距銀心46000～67000光年遠的氣體云，并探測到了48個新的和24個以前曾被觀測到的星際氣體云。

孫燕和同事們借助射電望遠鏡的資料進行研究。資料來自紫金山天文臺“銀河畫卷”巡天計劃，該計劃捕捉星際塵云中一氧化碳的射電輻射。一氧化碳是星際空間中豐度僅次于氫的物質(zhì)，卻比氫更容易為射電望遠鏡所觀測到。將這些數(shù)據(jù)和加拿大的“銀河盤面巡天”（C a n a d i a n G a l a c t i c P l a n e S u r v e y）項目的氫云數(shù)據(jù)結(jié)合，中國天文學家分析后認為這72個星際塵云排列在一段30000光年長的旋臂區(qū)域上。最新的報告中講到，“這段新的旋臂似乎是達姆和薩迪厄斯最近發(fā)現(xiàn)的遙遠旋臂以及我們熟知的‘盾牌-半人馬臂’在第二象限（銀經(jīng)90°～180°區(qū)域）的延伸。”

圖8 環(huán)繞銀河近半周的巨大氣體流：麥哲倫流。上為全景圖，下為局部特寫。[來源：上圖（可見光與射電）：D a v i d L. N i d e v e r, e t a l., N R A O/A U I/N S F a n d A. Me l l i n g e r, L A B S u r v e y, P a r k e s O b s e r v a t o r y, We s t e r b o r k O b s e r v a t o r y, a n d A r e c i b o O b s e r v a t o r y；下圖（射電）：L A B S u r v e y]

這就意味著盾牌-半人馬臂不單是銀河系中最大的旋臂，而且是唯一一條真正環(huán)繞星系360°的旋臂。這種情況，我們在附近的其他旋渦星系中還都不曾發(fā)現(xiàn)?！犊茖W美國人》（S c i e n t i f i c A m e r i c a n）雜志引用托馬斯?達姆的話說：“這真是罕見。我敢打賭，你得看上幾十張旋渦星系的正面照，才能找到一個像這樣環(huán)繞360°的情況?！?/p>

當然，這個看法也還有一些問題。其中一個是，達姆和薩迪厄斯在2011年發(fā)現(xiàn)的結(jié)束點與中國研究團隊發(fā)現(xiàn)的旋臂的起始點之間，還有長達40000光年的空檔有待填補。因此，孫燕和同事們發(fā)現(xiàn)的可能并不是盾牌-半人馬旋臂，而是另一個新旋臂的一部分。如果是這樣，那就是說我們的銀河系有不止一個“外”旋臂（并非從核心發(fā)出的旋臂）。不過也有可能，后續(xù)的研究填補了這一空白，那么就證明銀河系的大部分旋臂還是與核球相連的，我們的銀河系從遠處看上去，也還是和我們看到的遙遠的“標準”旋渦星系一樣漂亮。

圖9 藝術(shù)家繪制的、從北銀極向南看去的銀河系想象圖。[來源：N A S A/ J P L-C a l t e c h/R. H u r t]

圖10 這幅銀河系的示意圖顯示了盾牌-半人馬旋臂可能的延伸情況。[來源：Y a n S u n/T h e A s t r o p h y s i c a l J o u r n a l L e t t e r s/ R o b e r t H u r t. N A S A/J P L-C a l t e c h/S S C]