重新认知银河的姿首,给银系画张

2019-06-22 01:49栏目:澳门新葡亰手机版登录网址

千年之前,宋代词人秦观夜观星空,看到夜空中明亮的牛郎织女星,为淡淡的银河相隔。触景生情,写下了后世广为流传的“纤云弄巧,飞星传恨,银汉迢迢暗度”。时光辗转,秦观之后千年,人已不同,但景依旧。夏末秋初的晴朗夜晚,每每举头仰望,银河依旧高悬。

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尽管银河依旧,然而人们对于银河的认识在这千百年间已经发生了巨大的变化。古有银河为王母娘娘金簪化银河的说法,而如今,银河乃为众多恒星聚集而成的认识早已深入人心。后者的认识最早可以归功于意大利的科学家伽利略。四百多年前,伽利略第一次将望远镜指向天空,将淡淡的银河分解成众多恒星的时候,才意识到银河是一条由无数恒星组成的“无水河流”。

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银河系下的郭守敬望远镜。陈颖为摄

银河在整个星空中呈现怎样的结构呢?两百年前,天王星之父赫歇尔通过天文望远镜将天上的星星数了一遍,有些地方星星多,有些地方星星少,而且绝大多数星星都集中在一个扁平的盘状区域里,这就是银河系。尽管我们身处在银河系之内,但却不能识其庐山真面目。银河系到底有多大?太阳系到底处在银河系的“二环”边上还是“五环之外的郊区”?科学家们在探索这些问题的路上从未停止过脚步。

银河系绝大多数恒星都集中在银盘上,太阳系位于银盘上较为外部的位置

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在过去的几十年当中,天文学家普遍认为银河系的半径约为5万光年,它的中心附近存在一个棒状结构,外面呈现盘状结构、四周被较稀疏的恒星包裹,太阳距离银河系中心约为2.5万光年。之前人们认为银盘在距离银河系中心约5万光年处有一个清晰的边界,在这个边界处银盘恒星的数目骤然下降,如同银盘在此处被切割掉。

银河系是一个巨大的存在,如果有人从其核心区域的某颗行星上打电话到其黑暗的最外沿的另一颗行星,接电话的人至少需要数万年才收到那个微弱的通讯信号。除非天行者卢克、汗·索洛和莱娅公主的寿命以千万年计,否则浪漫、奇幻的《星球大战》故事完全不可能发生,银河帝国在巨大的数十万年计的时延面前只能是一盘散沙。

银盘面积增大示意图。国家天文台供图

但是近年来,一些观测在这个边界之外陆续发现一些属于银盘的年轻恒星,这似乎暗示银盘的边界应该更大。要证实这点还需要对更多、更远的恒星进行统计。因此,直到LAMOST这样能够获得数百万条恒星光谱数据的项目出现,才真正意义上开启了精确研究银河系结构和演化的新篇章。

天文学家要了解如此巨大的恒星系统,揭开它运转百亿年生生不息的原因,要把全部天空各个方向、所有能看到的恒星光芒尽量收集在一起。但这并不简单。从赫歇尔到沙普利再到现代的无数科学家,都在为认识银河系不断努力。近年来,我国的郭守敬望远镜聚焦银河系,更新着人类对它的认知。比如最近,LAMOST给银河系银盘绘制了更精确的“半身像”,发现它比过去认识的还要大。

8月7日,中国科学院国家天文台宣布,由其管理和运行的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜已圆满完成一期光谱巡天观测。一期巡天共发布光谱901万,其中高质量光谱777万,确定534万组恒星光谱参数。

LAMOST是大天区面积多目标光纤光谱望远镜的英文缩写,位于中国科学院国家天文台的兴隆观测站。它能够对4000个天体同时进行观测,是目前天体光谱观测效率最高的望远镜之一。

千亿颗恒星的家园

LAMOST发布的光谱数是世界上其他巡天项目发布光谱数总和的1.8倍。该数据集已于2017年12月31日对国内天文学家和国际合作者发布。此外,一期巡天以来,利用LAMOST数据共发表SCI论文345篇,被引用3000余次。

到目前为止,LAMOST望远镜已经成功“捕获”了900万余条恒星的光谱数据,建成了世界上最大的恒星光谱库,这些数据正助力天文学家逐步揭开银河系的神秘面纱。利用这些大样本恒星数据开展细致的数据筛选和严谨的统计分析则是探索银河系真面目的至关重要一环。

银河系绝大多数恒星都集中在一个巨大的扁平盘上,它被称为银盘。我们的太阳也处于这个盘子上,因此银盘在地球天空上的投影看上去就是一条银白色的光带。尽管几百年以前天文学家据此猜到了银河系长得像个盘子,但是对银盘的大小没有精确的测量。今天的教科书和科普读物中最常用的数值是银盘的半径大约有5万光年,这是一个很粗略的估计。而太阳系位于银盘上较为外部的位置,距离银河系中心约3万光年。除了银盘之外,还有大约十亿颗恒星分布在更大的包裹着银盘的一个椭球或球形空间内,称为“银晕”。银晕的恒星虽少,但是体积要大得多,半径可能超过了30万光年。

银河系的疆界被大大拓展,半径可能达到约10万光年

2017年底国家天文台研究员刘超等率先利用LAMOST数据向传统认知发起挑战,通过应用复杂统计手段精确清点银河系外围恒星的数目,他们成功绘制出银盘外围的空间结构剖面图。从图中可以看出,银盘的恒星数目虽然在随着银盘半径减少,但并没有在5万光年处停下来,而是一直延伸到距离中心6.2万光年处(图中红色和白色的区域是银盘,蓝色是银晕)。这比教科书上一直以来引用的半径大了约四分之一!

在银盘上,恒星的分布是不均匀的,处于银盘中心的恒星远远多于在银盘外围的恒星。因此天空上的光之河也不是处处一样亮,夏天当银盘的中心区挂在夜空中的时候它就会显得更亮。这也是我们夏天更容易看到银河的原因。如果你去南半球旅行,在夏季无月的夜晚,天空上的银河愈加明亮,因为在南半球的天空可以看到整个银盘的中心区,而在北方只能看到很小一部分。

过去的几十年,天文学家普遍认为银河系的半径约为5万光年。它的中心附近存在一个棒状结构,外面呈现盘状结构、四周被较稀疏的恒星包裹,太阳距离银河系中心约为2.5万光年。

在此结果之后,由西班牙加那利天体物理研究所博士马丁·洛佩兹-科雷多伊拉和中科院国家天文台博士王海峰、研究员刘超等人组成的国际研究团队又进一步利用LAMOST和SDSS获取的海量恒星光谱,再次改写了银盘尺寸,发现包含了银河系中大多数恒星所组成的盘状结构可能比天文学家之前认为的大很多,半径可能达到约10万光年,这意味着我们所在的“家园”——银河系的疆界比之前认识的又有了很大拓展。

看上去似乎南半球的天文学家因地利之便更容易观察银河系。实际并不尽然。尽管银河中心区聚集了大量的恒星,但是要了解它的整体形状以及在百亿年间的长期演化,其外围的信息是不可或缺的。外围是指的银盘的外围以及银晕。这样住在北半球的天文学家也有很多事情可做了。

此前,人们还认为银盘在距离银河系中心约5万光年处有一个清晰的边界,在这个边界处银盘恒星的数目骤然下降,如同银盘在此处被切割掉。但是近年来,一些观测在这个边界之外陆续发现一些属于银盘的年轻恒星,这似乎暗示银盘的边界应该更大。然而,要证实这点还需要对更多、更远的恒星进行统计。

澳门新葡亰手机版登录网址,天文学家如何能发现并确认银河系有着如此遥远的领地呢?在已获取的LAMOST和SDSS恒星光谱数据中,越遥远的地方能被采样的恒星就会越少,很难再用统计的方法清点银河系外围的恒星数目,天文学家另辟蹊径,对少数遥远恒星进行分析,发现有相当比例距离银河系中心约10万光年处的恒星仍拥有银盘恒星的“家族特征”(金属成分较高,天文学家通常把除了氢和氦以外的所有元素都叫“金属”)。这就确认了银盘的边界足足扩展到了10万光年。

百名专家联手揭秘银河系

2017年底,国家天文台科研人员利用LAMOST数据,通过应用复杂统计手段精确清点了银河系外围恒星的数目,并成功绘制出银盘外围的空间结构剖面图。

这项新研究提供了有关银盘恒星构成的新认识,以及银河系尺寸更为精确的数据测量。银河系尺寸的不断改写促使天文学家重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。

最早大规模研究北半球银河系的结构、并取得卓越成果的是美国的斯隆数字化巡天项目,它同时也被誉为世界上最有影响力的天文巡天观测项目。SDSS带来了很多关于银河系的颠覆性认识,其中最为有名的是它首次揭示了银河系的晕中存在大量的矮星系和潮汐星流结构。

国家天文台研究员刘超说:“我们从图中可以看出,银盘的恒星数目虽然在随着银盘半径减少,但并没有在5万光年处停下来,而是一直延伸到距离中心6.2万光年处。这比教科书上一直以来引用的半径大了约1/4。”

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在二十一世纪第二个十年里,国际上接力SDSS的天文巡天项目有很多,其中我国天文学家主导的LAMOST银河系光谱巡天项目是效率最高的之一。

2018年,由西班牙加纳利天体物理研究所科研人员和中国国家天文台科研人员组成的国际研究团队又进一步利用LAMOST数据和其他相关数据获取的海量恒星光谱,再次改写了银盘尺寸,发现包含银河系中大多数恒星的盘状结构可能比天文学家之前认为的大很多,半径可能达到约10万光年,银河系的疆界再次被大大拓展。

图1 赫歇尔手绘的银河系结构

为了能够更好观察银河系,天文学家需要尽其所能捕捉更多恒星的各种电磁波信号。虽然SDSS获得了上亿颗恒星的亮度和颜色信息,但是只有60万颗恒星的光谱信息。相比之下,尽管LAMOST巡天仅观测恒星的光谱,但是它在短短五年时间里已经获得了将近800万条恒星光谱,比之前全世界天文学家获得的恒星光谱总和还要多!

刘超说:“这项研究提供了有关银盘恒星构成的新认识,以及银河系尺寸更为精确的数据测量。银河系尺寸的不断改写将促使天文学家重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。”

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巨大的恒星观测数目只是万里长征的第一步,海量数据并不能自动告诉我们银河系的形状和性质。科学家还需要细致的数据筛选和严谨的统计分析。

此外,科研人员根据LAMOST数据重新精确计算,改写银河系晕的结构特征,确立为内扁外圆的新结构。刘超说:“这一清晰的证据推翻了前人关于恒星晕是一个轴比不变的扁球体的猜测,有助于人类重新理解银河系恒星晕的形成历史和演化。”

图2 银盘外围的空间结构剖面图

数据的分析和统计过程是漫长的,凝聚了很多人的努力,历时若干年头。首先,光谱需要做最基本的处理,将其从拍摄的数字图像中提取出来。LAMOST望远镜包含了16台光谱相机,每台相机的一幅图像包括大约两百条天体光谱,提取并对其做初步处理是一项细致而繁琐的工作。抽取出每条光谱之后,还要从中估算对应恒星的物理参数,包括恒星表面的温度、表面重力加速度、包含的金属成分的比例等。这些信息至关重要,因为下一步,天文学家们需要根据这些信息估计恒星的绝对亮度,再根据其他望远镜测量到的视亮度估算它到太阳的距离。

首次测量了近700颗系外行星的轨道偏心率和倾角,太阳系在宇宙中并不是个特例

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不同恒星的绝对亮度可以相差十个数量级,也即100亿倍,但是同一个望远镜能观测到的视亮度范围仅有几百倍。这就带来了一个严重的问题,那些望远镜捕获到的很远的恒星都是绝对亮度很亮的恒星,而对很暗恒星的探测仅局限于很近的距离范围内。天文学上将这种选择效应称为马奎斯特偏离,它会严重影响对银河系的统计分析。因此接下来,天文学家们就要想方设法改善由此带来的统计偏差,尽量还原银河系真实的恒星分布情况,公平地统计很暗和很亮恒星的数目。最终,经过一百多名中外天文学家和工程师的漫长观测、数据处理和统计分析,银河系的神秘面纱终于被LAMOST数据逐渐揭开。

此次巡天中,科研人员利用LAMOST首次测量了近700颗系外行星的轨道偏心率和倾角,发现约八成的行星轨道都如同太阳系的近圆形轨道。

图3 人们认识的银盘大小的变化 制图:元博

一张更精确的结构图

国家天文台研究员赵刚说:“这表明,太阳系在宇宙中并不是一个特例而是具有一定代表性的。在某种程度上增强了我们人类寻找另一个地球和地外生命的信心。”

通过应用复杂统计手段精确清点银河系外围恒星的数目,科学家成功绘制出银盘外围的空间结构剖面图。从图中可以看出,银盘的恒星数目虽然随着半径增加而减少,但并没有在5万光年处停下来,而是一直延伸到距离中心6.2万光年处。这比教科书上一直以来引用的半径大了约四分之一。

类星体是银河系外发光巨大的遥远天体,它的能源来自于其中心超大质量黑洞吸积周围物质释放的巨大引力能,是研究遥远宇宙的重要探针。

银河系的疆界因此向外拓展了很多。这就像是我们住在一个房子里很多年,突然有一天推开一扇尘封已久的大门,发现其实我们房子后面还有很大一个后院。这一发现不仅将改写教科书,还让天文学家们重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。

“此次在LAMOST光谱中已发现了1.2万余颗类星体,它们的平均红移为1.5,最高红移为5。”国家天文台研究员赵永恒说,“此外,根据这些数据还估算出了其中心黑洞质量。这些类星体的发现将对大样本类星体的统计研究提供重要帮助。”

除了成功给银盘绘制一张“半身像”,LAMOST的海量数据还帮助人们进一步测量了银晕的形状。研究人员首先从数据中剥离了银盘上的恒星,然后只使用银晕恒星绘制出银河系13万光年内的三维结构图。他们惊讶地发现,银晕具有复杂的构成——内部呈扁球形,外部则逐渐变成球形。这一清晰的观测证据推翻了前人关于银晕结构的很多猜测,展现了全新的银晕图像。

近邻主星系样本是21世纪开始的大规模星系光谱巡天中的经典之作。但由于光纤碰撞效应,该样本在小尺度上具有较高的不完备性。LAMOST巡天中将这些遗漏的星系作为补充星系样本进行观测。

观测天文学家对此当然非常兴奋,如同在后院挖出了一大块金子。理论学家就要费些脑筋了,因为他们需要解释为什么银晕不是一个简单的扁球或球形结构,而是保持这样一个复杂变化的形状,以及它是否预示银河系在一百亿年以前形成之初时经历过什么特殊的物理过程。

赵永恒说:“由于巡天范围广,在一期巡天中获得了近万个补充星系的光谱测量,新增证认了近万个密近星系对。这些密近星系对对研究星系的并合过程具有重要的科学价值。”

一幢久居的老屋,表面上你似乎对它的每一块砖、每一片瓦、每一扇窗都了然于胸。可是当你真正睁开双眼去看它时,陈旧的老屋里总是给你带来各种惊喜。银河系就是这样的一幢老屋。居住了46亿年后,当人类睁开眼认真审视它时,惊喜的发现仍会接踵而来。LAMOST巡天则是那双明亮的眼睛,在它的审视下,谁能说不会有新的更大的银河宝藏被它挖掘出来呢?

科研人员利用LAMOST数据还发现了一类新的太阳系外行星族群——热海星,它们与热木星有几个相同的标志特征,为揭开热木星和其它短周期行星起源提供了关键的线索和崭新的研究方向。

(作者:刘超,中国科学院国家天文台副研究员)

暗物质占星系总质量的90%以上,但大多数分布很弥散,在太阳所在位置处暗物质所占比例非常低。这就给人类直接探测暗物质带来了巨大困难。

赵永恒说:“我们利用LAMOST数据对太阳附近的暗物质密度进行了重新估算,这对寻找暗物质粒子、理解暗物质在银河系中分布具有重要意义。”

此外,利用LAMOST数据,科研人员还精确估算了上百万颗恒星的年龄,使具有精确年龄的恒星样本增加了1000倍,为银河系演化研究提供了基础数据;同时,测量近6000颗类太阳恒星的磁活动指数,发现太阳具有与超级耀斑恒星相当的磁活动水平,证实太阳有爆发超级耀斑的可能。

发现一颗锂元素含量约为同类天体3000倍的恒星,将国际上锂含量观测极限提高一倍

年老的贫金属星就像宇宙“化石”一样记录了宇宙化学演化的最初历史,对它们的分析,可以实现对第一代恒星和早期宇宙本质的“恒星考古”。

赵刚说:“我们此次在LAMOST光谱中已发现了万余颗金属含量低于太阳百分之一乃至万分之一的贫金属星,构建了目前世界上最大的、适合现有大望远镜跟踪观测的宇宙化石样本。”

同时,科研人员还发现了一批极其稀有的、锂元素丰度超过正常值上百倍的小质量贫金属星。其中,有一颗星的锂元素含量约是同类天体的3000倍,这是目前人类已知锂元素丰度最高的恒星。这一重大发现已于北京时间8月7日凌晨在线发表在国际科学期刊《自然·天文》上。

锂元素是连接宇宙大爆炸、星际物质和恒星的关键元素,一直以来它在宇宙和恒星中的演化都是天文领域的重要研究对象,然而当代天文学对锂元素的理解还有很大的局限。富含锂元素的巨星十分稀有,但在揭示锂元素起源和演化上却具有重要意义。遗憾的是,过去30余年天文学家只发现了极少量的此类天体。

“这颗新发现的富锂恒星在银河系中心附近的蛇夫座方向,位于银河系盘面以北,距离地球约4500光年。经过进一步研究我们发现这颗恒星的锂元素很可能来自恒星内部的一种特殊的物质交换过程。”国家天文台闫宏亮博士说,“这一发现改变了人类对天体中锂元素的认知,将国际上锂含量观测极限提高一倍。”

此外,在LAMOST近千万光谱中,科研人员大海捞针般地发现了5颗超高速星,目前世界上已证认的超高速星仅有20余颗。

赵刚说:“它们为深入研究这类速度很高,最终能够脱离银河系引力束缚,‘逃离’银河系的恒星的形成机制提供了重要的样本。”

(原载于《人民日报》2018-08-0812版)

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