給銀河系畫張“半身像”

劉超

銀河系是一個(gè)巨大的存在，如果有人從其核心區(qū)域的某顆行星上打電話到其黑暗的最外沿的另一顆行星，接電話的人至少需要數(shù)萬年才收到那個(gè)微弱的通訊信號。除非天行者盧克、汗·索洛和萊婭公主的壽命以千萬年計(jì)，否則浪漫、奇幻的《星球大戰(zhàn)》故事完全不可能發(fā)生，銀河帝國在巨大的數(shù)十萬年計(jì)的時(shí)延面前只能是一盤散沙。

天文學(xué)家要了解如此巨大的恒星系統(tǒng)，揭開它運(yùn)轉(zhuǎn)百億年生生不息的原因，要把全部天空各個(gè)方向、所有能看到的恒星光芒盡量收集在一起。但這并不簡單。從赫歇爾到沙普利再到現(xiàn)代的無數(shù)科學(xué)家，都在為認(rèn)識銀河系不斷努力。近年來，我國的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）聚焦銀河系，更新著人類對它的認(rèn)知。比如最近，LAMOST給銀河系銀盤繪制了更精確的“半身像”，發(fā)現(xiàn)它比過去認(rèn)識的還要大。

千億顆恒星的家園

銀河系絕大多數(shù)恒星都集中在一個(gè)巨大的扁平盤上，它被稱為銀盤。我們的太陽也處于這個(gè)盤子上，因此銀盤在地球天空上的投影看上去就是一條銀白色的光帶。盡管幾百年以前天文學(xué)家據(jù)此猜到了銀河系長得像個(gè)盤子，但是對銀盤的大小沒有精確的測量。今天的教科書和科普讀物中最常用的數(shù)值是銀盤的半徑大約有5萬光年，這是一個(gè)很粗略的估計(jì)。而太陽系位于銀盤上較為外部的位置，距離銀河系中心約3萬光年。除了銀盤之外，還有大約十億顆恒星分布在更大的包裹著銀盤的一個(gè)橢球或球形空間內(nèi)，稱為“銀暈”。銀暈的恒星雖少，但是體積要大得多，半徑可能超過了30萬光年。

在銀盤上，恒星的分布是不均勻的，處于銀盤中心的恒星遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于在銀盤外圍的恒星。因此天空上的光之河也不是處處一樣亮，夏天當(dāng)銀盤的中心區(qū)掛在夜空中的時(shí)候它就會顯得更亮。這也是我們夏天更容易看到銀河的原因。如果你去南半球旅行，在夏季無月的夜晚，天空上的銀河愈加明亮，因?yàn)樵谀习肭虻奶炜湛梢钥吹秸麄€(gè)銀盤的中心區(qū)，而在北方只能看到很小一部分。

看上去似乎南半球的天文學(xué)家因地利之便更容易觀察銀河系。實(shí)際并不盡然。盡管銀河中心區(qū)聚集了大量的恒星，但是要了解它的整體形狀以及在百億年間的長期演化，其外圍的信息是不可或缺的。外圍是指的銀盤的外圍以及銀暈。這樣住在北半球的天文學(xué)家也有很多事情可做了。

百名專家聯(lián)手揭秘銀河系

最早大規(guī)模研究北半球銀河系的結(jié)構(gòu)、并取得卓越成果的是美國的斯隆數(shù)字化巡天項(xiàng)目（SDSS），它同時(shí)也被譽(yù)為世界上最有影響力的天文巡天觀測項(xiàng)目。SDSS帶來了很多關(guān)于銀河系的顛覆性認(rèn)識，其中最為有名的是它首次揭示了銀河系的暈中存在大量的矮星系和潮汐星流結(jié)構(gòu)。

在二十一世紀(jì)第二個(gè)十年里，國際上接力SDSS的天文巡天項(xiàng)目有很多，其中我國天文學(xué)家主導(dǎo)的LAMOST銀河系光譜巡天項(xiàng)目是效率最高的之一。

為了能夠更好觀察銀河系，天文學(xué)家需要盡其所能捕捉更多恒星的各種電磁波信號。雖然SDSS獲得了上億顆恒星的亮度和顏色信息，但是只有60萬顆恒星的光譜信息。相比之下，盡管LAMOST巡天僅觀測恒星的光譜，但是它在短短五年時(shí)間里已經(jīng)獲得了將近800萬條恒星光譜，比之前全世界天文學(xué)家獲得的恒星光譜總和還要多！

巨大的恒星觀測數(shù)目只是萬里長征的第一步，海量數(shù)據(jù)并不能自動(dòng)告訴我們銀河系的形狀和性質(zhì)?？茖W(xué)家還需要細(xì)致的數(shù)據(jù)篩選和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析。

數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)過程是漫長的，凝聚了很多人的努力，歷時(shí)若干年頭。首先，光譜需要做最基本的處理，將其從拍攝的數(shù)字圖像中提取出來。LAMOST望遠(yuǎn)鏡包含了16臺光譜相機(jī)，每臺相機(jī)的一幅圖像包括大約兩百條天體光譜，提取并對其做初步處理是一項(xiàng)細(xì)致而煩瑣的工作。抽取出每條光譜之后，還要從中估算對應(yīng)恒星的物理參數(shù)，包括恒星表面的溫度、表面重力加速度、包含的金屬成分的比例等。這些信息至關(guān)重要，因?yàn)橄乱徊?，天文學(xué)家們需要根據(jù)這些信息估計(jì)恒星的絕對亮度，再根據(jù)其他望遠(yuǎn)鏡測量到的視亮度估算它到太陽的距離。

不同恒星的絕對亮度可以相差十個(gè)數(shù)量級，也即100億倍，但是同一個(gè)望遠(yuǎn)鏡能觀測到的視亮度范圍僅有幾百倍。這就帶來了一個(gè)嚴(yán)重的問題，那些望遠(yuǎn)鏡捕獲到的很遠(yuǎn)的恒星都是絕對亮度很亮的恒星，而對很暗恒星的探測僅局限于很近的距離范圍內(nèi)。天文學(xué)上將這種選擇效應(yīng)稱為馬奎斯特偏離，它會嚴(yán)重影響對銀河系的統(tǒng)計(jì)分析。因此接下來，天文學(xué)家們就要想方設(shè)法改善由此帶來的統(tǒng)計(jì)偏差，盡量還原銀河系真實(shí)的恒星分布情況，公平地統(tǒng)計(jì)很暗和很亮恒星的數(shù)目。最終，經(jīng)過一百多名中外天文學(xué)家和工程師的漫長觀測、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，銀河系的神秘面紗終于被LAMOST數(shù)據(jù)逐漸揭開。

一張更精確的結(jié)構(gòu)圖

通過應(yīng)用復(fù)雜統(tǒng)計(jì)手段精確清點(diǎn)銀河系外圍恒星的數(shù)目，科學(xué)家成功繪制出銀盤外圍的空間結(jié)構(gòu)剖面圖。從圖中可以看出，銀盤的恒星數(shù)目雖然隨著半徑增加而減少，但并沒有在5萬光年處停下來，而是一直延伸到距離中心6.2萬光年處。這比教科書上一直以來引用的半徑大了約四分之一。

銀河系的疆界因此向外拓展了很多。這就像是我們住在一個(gè)房子里很多年，突然有一天推開一扇塵封已久的大門，發(fā)現(xiàn)其實(shí)我們房子后面還有很大一個(gè)后院。這一發(fā)現(xiàn)不僅將改寫教科書，還讓天文學(xué)家們重新審視星系形成及宇宙演化的一般規(guī)律。

除了成功給銀盤繪制一張“半身像”，LAMOST的海量數(shù)據(jù)還幫助人們進(jìn)一步測量了銀暈的形狀。研究人員首先從數(shù)據(jù)中剝離了銀盤上的恒星，然后只使用銀暈恒星繪制出銀河系13萬光年內(nèi)的三維結(jié)構(gòu)圖。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，銀暈具有復(fù)雜的構(gòu)成——內(nèi)部呈扁球形，外部則逐漸變成球形。這一清晰的觀測證據(jù)推翻了前人關(guān)于銀暈結(jié)構(gòu)的很多猜測，展現(xiàn)了全新的銀暈圖像。

觀測天文學(xué)家對此當(dāng)然非常興奮，如同在后院挖出了一大塊金子。理論學(xué)家就要費(fèi)些腦筋了，因?yàn)樗麄冃枰忉尀槭裁淬y暈不是一個(gè)簡單的扁球或球形結(jié)構(gòu)，而是保持這樣一個(gè)復(fù)雜變化的形狀，以及它是否預(yù)示銀河系在一百億年以前形成之初時(shí)經(jīng)歷過什么特殊的物理過程。

一幢久居的老屋，表面上你似乎對它的每一塊磚、每一片瓦、每一扇窗都了然于胸。可是當(dāng)你真正睜開雙眼去看它時(shí)，陳舊的老屋里總是給你帶來各種驚喜。銀河系就是這樣的一幢老屋。居住了46億年后，當(dāng)人類睜開眼認(rèn)真審視它時(shí)，驚喜的發(fā)現(xiàn)仍會接踵而來。LAMOST巡天則是那雙明亮的眼睛，在它的審視下，誰能說不會有新的更大的銀河寶藏被它挖掘出來呢？