中外科學(xué)家繪制出迄今最精確銀河系結(jié)構(gòu)圖

　　凝望十余載 勾畫(huà)星河影（解碼）

　　核心閱讀

　　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(zhǎng)期懸而未決的重大科學(xué)問(wèn)題。美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)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(guò)十余年研究最終破解。這是人類(lèi)繼認(rèn)識(shí)地球和太陽(yáng)系后，跨入巨大銀河系的關(guān)鍵一步。

　　歷經(jīng)17年，美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)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(guó)哈佛—斯密松天體物理中心資深天文學(xué)家、美國(guó)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(xiě)的《銀河系新視野》，刊登在近日的《科學(xué)美國(guó)人》雜志上，成為封面文章。這項(xiàng)研究是人類(lèi)繼認(rèn)識(shí)地球和太陽(yáng)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(guān)測(cè)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(zhǎng)期懸而未決的重大科學(xué)問(wèn)題。

　　早在1785年，英國(guó)著名天文學(xué)家赫歇爾通過(guò)恒星記數(shù)的方法，第一次提出銀河系是一個(gè)由億萬(wàn)顆恒星組成的扁平系統(tǒng)。但長(zhǎng)期以來(lái)，這個(gè)扁平的恒星系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直沒(méi)有人弄清楚。

　　鄭興武解釋?zhuān)且驗(yàn)殂y河系太大了，現(xiàn)代研究表明它的直徑約為10萬(wàn)至18萬(wàn)光年，太陽(yáng)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(wú)法分辨，同時(shí)我們又無(wú)法離開(kāi)銀河系，到幾百萬(wàn)光年以外的宇宙空間來(lái)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(cè)定旋臂上足夠多的天體到太陽(yáng)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(huà)出銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)。于是，尋找能有效勾畫(huà)出銀河系結(jié)構(gòu)的示蹤天體或者信標(biāo)，又能精確測(cè)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(pán)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(wú)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(yáng)系周?chē)奶祗w，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于銀河系的大小。這是光學(xué)天文無(wú)法完全探索銀河系結(jié)構(gòu)的原因。

　　真正廣泛深入地觀(guān)測(cè)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(guò)近半個(gè)世紀(jì)的觀(guān)測(cè)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(guò)，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(cè)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(cè)量它們的距離。近代天文學(xué)研究表明，這些間接測(cè)量的方法有很多問(wèn)題。這也導(dǎo)致了銀河系結(jié)構(gòu)的一些最基本的問(wèn)題仍然沒(méi)有得到解決。

　　國(guó)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(guó)、德國(guó)和中國(guó)的天文學(xué)家主導(dǎo)成立了由8個(gè)國(guó)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(jiǎn)稱(chēng)貝塞爾計(jì)劃，以紀(jì)念德國(guó)天文學(xué)家貝塞爾在1938年第一次測(cè)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(zhǎng)基線(xiàn)干涉陣，采用幾何三角視差方法直接測(cè)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(pán)中濃密塵埃、能測(cè)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(guò)億度、甚至萬(wàn)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(cè)量了銀盤(pán)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(guó)際上其他團(tuán)組測(cè)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(cè)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(xiàn)組成的甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉陣，在一年內(nèi)至少要觀(guān)測(cè)5次，每次觀(guān)測(cè)時(shí)間約為5小時(shí)，每一小時(shí)的觀(guān)測(cè)約需要20個(gè)小時(shí)的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和寫(xiě)報(bào)告。在十余年中，我國(guó)貝塞爾課題組成員大部分時(shí)間都在默默地觀(guān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理中。”鄭興武介紹，國(guó)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(pán)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(cè)量大質(zhì)量恒星形成區(qū)的精確位置，清晰地勾畫(huà)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(guān)測(cè)資料，最終繪制出銀河系結(jié)構(gòu)圖。

　　在天文學(xué)家觀(guān)測(cè)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(chēng)。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(chēng)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(zhǎng)期爭(zhēng)論而未解決的重大科學(xué)問(wèn)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(guān)測(cè)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(yáng)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(guó)天文學(xué)家觀(guān)測(cè)和研究的結(jié)果分析，表明太陽(yáng)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(lèi)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(guó)、德國(guó)和中國(guó)的天文學(xué)家為主導(dǎo)的貝塞爾計(jì)劃中，中國(guó)天文學(xué)家起著重要作用，計(jì)劃中有一半成果來(lái)自中國(guó)團(tuán)隊(duì)。中國(guó)成員來(lái)自南京大學(xué)、紫金山天文臺(tái)、上海天文臺(tái)和國(guó)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(kāi)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(cè)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(zhǎng)度大約有1.2萬(wàn)光年，是迄今發(fā)現(xiàn)的銀河系內(nèi)最長(zhǎng)的一個(gè)旋臂次結(jié)構(gòu)。同時(shí)結(jié)合其他觀(guān)測(cè)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(lèi)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(guó)天文學(xué)家觀(guān)測(cè)分析了其中85個(gè)源。貝塞爾計(jì)劃在國(guó)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(guó)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(guó)家授時(shí)中心研究員吳元偉、南京大學(xué)胡波博士的觀(guān)測(cè)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(guó)甚長(zhǎng)基線(xiàn)天體測(cè)量學(xué)科的發(fā)展，培養(yǎng)出一批年輕天文學(xué)家，走在國(guó)際甚長(zhǎng)基線(xiàn)天體測(cè)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(cè)量的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)方法支撐。”鄭興武說(shuō)。（記者 姚雪青）

【糾錯(cuò)】

責(zé)任編輯： 徐宙超