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银河系实际外观结构探索的新进展

银河系实际外观结构探索的新进展-爱读书

银河系的结构:具有螺旋臂的扁平盘,具有中央凸起

早在几百年前,探险家们穿越大洋,穿越未知的大陆来绘制地图,但直到19世纪,爱尔兰天文学家威廉·帕森斯才发现第一个螺旋星云M51。

然而,在缺乏现代天文望远镜的时代,人们对银河系多大多远,具体什么结构几乎毫无所知。关于这些问题的辩论一直持续到20世纪初,美国女天文学家亨丽爱塔·斯万·勒维特发现了造父变星的周光关系后,著名天文学家埃德温·哈勃利用这一技术,才发现银河系并不是宇宙中唯一的星系,并且宇宙一直处在膨胀之中,这就是著名的哈勃定律。

绘制银河系的困难所在

在过去半个世纪中,人类派出去的太空探测器已经拍摄了大部分的太阳系。然而,我们对银河系的实际外观图像仍然模糊。 原因很简单:以我们目前的科学技术无法发射一个航天器,经过数百万年的旅程冲出银河系,然后回头拍摄照片。

我们对银河系外观知之甚少的另外一个原因是银河系当中包含大量的尘埃。 灰尘有效地吸收了光,因此,在穿过银河盘的大多数视线中,我们看不到很远的地方,因为灰尘会挡住视线。

第三个原因是银河系的广大深邃:来自银河另一侧恒星的光要花费超过50000年的时间才能到达地球!这种距离使得我们很难分辨出哪些恒星近,哪些恒星远。

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银河系北极的银河系平面图,显示了具有测量的三角视差的高质量恒星形成区域的位置

因此,我们还有很多关于银河系的悬而未解的问题,例如,它有多少个旋臂,最接近太阳的大型结构是否可以算作一条旋臂,以及我们的太阳系在银河系中的位置等。

不过,科学家们利用来自几个新研究项目的数据,尤其是“棒旋和螺旋结构遗留”无线电调查项目(BeSSel),在超长距离的地球天文望远镜阵列上获得了5000小时的观测时间,最终描绘出了迄今为止银河系最好的地图。它揭示出银河系并不是曾经认为的普通的旋涡星系,而是棒旋星系,其中至少包含四个主要的旋臂以及一些较小旋臂特征,而太阳几乎精确地位于银河系盘的中心平面上。

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棒旋星系的代表NGC 1300

通俗来讲,棒旋星系是中间具有由恒星聚集组成短棒形状的螺旋星系。银河系附近的NGC 1300星系提供了很好的示例。NGC 1300在其中心具有明亮的短棒形状结构,两个螺旋臂从短棒形状的末端开始发端,并缓慢向外延伸。螺旋臂发出蓝光,这是由巨大恒星托儿所区域产生的。

70年前,科学家计算了地球到附近一些发光的蓝色恒星的距离。在星系地图上绘制这些点会发现三个螺旋臂的片段,我们将其称为人马座旋臂,局部旋臂和英仙座旋臂。大约在同一时间,从1950年代开始,射电天文学家观察到了原子氢气,这种氢气释放了21厘米波长的可见光信号。当这种气体相对于地球移动时,由于多普勒现象,氢原子的频率发生了变化,从而使天文学家能够测量气体的速度,从而为其在银河系中的位置提供线索。银河制图师使用这种测量方法,从太阳的角度来看,为我们的银河系采用了便利的坐标系。

天文学家一直认为,银河系也具有棒旋星系特征。斯皮策太空望远镜在十多年前所做的红外观测表明,银河系似乎可能只有两个旋臂。 但是,最近对集中在其它星系旋臂中的氢原子和一氧化碳原子的无线电波观测表明,银河系大致有四个旋臂。

更精确的绘制银河系

随着更先进的新型望远镜的出现,天文学家正在朝着更精确研究有关银河系的问题的道路上快速前进。盖亚任务于2013年启动,旨在测量地球到银河系中超过十亿颗恒星的距离,这无疑将彻底改变我们对银河系形成中不同恒星种群的理解。 但是,由于盖亚使用的是被星际尘埃颗粒吸收的光,所以它无法自由探测遥远的螺旋臂。 而无线电波很容易穿过尘埃,使我们能够探索整个银河盘并绘制其结构图。

现在,绘制银河系结构图的两个主要项目使用的是射电天文学中的一种称为“超长基线干涉测量”(VLBI)的技术。 比如日本的VERA项目使用四台射电望远镜,它们横跨日本领土,从该国北部水泽到其最南端石垣岛。

“棒旋和螺旋结构遗留”(BeSSeL)项目则使用超长阵列,该阵列包含10架望远镜,覆盖了西半球的大部分区域,从夏威夷到新英格兰再到美属维尔京群岛的圣克鲁瓦。由于望远镜之间的距离几乎是地球直径,因此这些阵列可以获得远远超过任何其它望远镜任何波长下的分辨率。研究人员必须用所有望远镜同时观察,并用原子钟将每个站点的计算机磁盘上记录的数据同步。然后,他们将记录的数据发送到一台专用计算机,该计算机对望远镜之间的信号进行协调。经过校准后,便获得一张数字图像。

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三角测距视差技术原理图

要绘制出银河系旋臂这种级别的天体图,天文学家必须使用三角测距视差技术。通过观察从地球轨道的相对侧观察恒星位置的偏移或视差角来测量星际距离。 一颗恒星离地球越近,其视差就越大,结合地球与太阳的距离,恒星三角测距视差使天文学家可以使用基本三角函数来计算该恒星与地球的距离。

理想情况下,要绘制旋臂结构图,天文学家要观察年轻的大质量恒星。这些短暂的恒星通常与螺旋臂内强烈的恒星形成有关,而且温度很高,以至于它们使周围的气体电离,从而使其发出蓝光,并在整个宇宙中形成可见的螺旋臂示踪信标。但是,由于被困在银河系的尘埃盘中,我们无法轻易地在整个银河系中观察到此类恒星。幸运的是,被这些热恒星电离的区域外的水和甲醇分子可以是非常明亮的无线电型号源,因为它们发出的自然,大量的辐射信号,几乎没有被银河尘埃衰减。该辐射是光学激光的无线电类似物。在天体物理环境中,这种辐射来自太阳系尺度的气体云,其质量与木星相当。在无线电图像中,它们是非常明亮的“斑点”,也是视差测量的理想目标。

目前测绘出的银河系图

利用Bessel和VERA观测项目,天文学家已经收集了大约200个基于视差的距离测量结果,用于跨银河大区域的年轻炽热恒星。 这些数据使我们可以很好地揭示银河系四条连续,距离很长的旋臂的面貌。

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目前测绘出的银河系图

研究显示,太阳非常接近称为“局部旋臂”的位置,这似乎是螺旋臂的一个孤立片段。它的结构类似于其它附属星系中旋旋臂分支出的较小附属物。但是,在它的短长度上,有大量恒星形成,其数量可与我们在附近英仙座旋臂的类似长度中看到的相当。

有趣的是,一些天文学家认为英仙座臂是银河系中两个主要的臂之一。但是,最新的数据显示,随着旋臂向内远离太阳向内旋转时,大量恒星的形成会显著减少,这表明它对于外部观察者而言似乎不是非常突出的旋臂。

通过使用大量年轻恒星的三维位置并对测得的运动进行建模,天文学家现在可以估算出银河系基本参数的值。 他们发现:从太阳到银河系中心的距离为8150±150秒差距(或26600光年)。 这比几十年前国际天文学联合会提出的8500秒差距的值还小(秒差距是一个宇宙距离尺度,用以测量太阳系以外天体的长度单位。1秒差距定义为某一天体与1天文单位的对角为1角秒时的距离)。 此外,天文学家还发现银河系正在以每秒236公里的速度旋转,这大约是地球绕太阳旋转速度的8倍。 根据这些参数值,科学家们发现太阳每隔2.12亿年就会绕银河系旋转一次。 换句话说,上一次我们的太阳系进入银河系的同一部分时,恐龙尚在地球上漫游。

众所周知,银河系内部具有非常薄且几乎平坦的平面区域,但太阳相对于该平面的位置一直存在争议。 之前,天文学家将太阳相对于银河盘的距离定为高25秒差距(约合82光年),但新的观测数据修正了这一数字,即,太阳仅比银河盘高约6秒差距(20光年)。 该距离仅为太阳到银河系中心的距离的0.07%,这意味着太阳非常靠近银河系的中平面。

最新的观测数据还证实了先前的观察结果,即在银河系更远的地方,银河盘开始在其北侧向上弯曲而在其南侧向下弯曲,有点像土豆片。银河系实际上有两个盘,一个薄的盘嵌入一个较厚的磁盘,就像一块蛋糕,或者两个海绵之间有一层磨砂。薄盘的厚度大约为1000光年,而围绕它的厚盘则有2000光年。这两个盘在物理上也不同。 薄盘中的恒星往往更年轻,并且其中含有更重的元素,比如铁。 厚盘比较较古旧,且元素贫乏,但较厚的银河系圆盘中靠近银河系中心的恒星比较远的恒星年轻。

天文学家仍在研究银河系的厚盘。 目前尚不清楚其形成原因。也许当一个较小的星系与银河系碰撞并合并时形成了厚盘,或者随着时间的推移,许多较小的星系合并形成了厚盘。

更多谜团

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基于视差距离的高质量银河系恒星形成区域位置,红点为太阳系中心

尽管我们对银河系的结构有一些新的更清晰的答案,但我们还面临很多悬而未解的重要问题。天文学家仍在探究银河系螺旋臂是如何产生的。

目前存在两种理论。第一种理论认为整个银河系尺度上的引力不稳定性会形成持久的螺旋波模式,第二种理论认为,在较小尺度上的引力的不稳定性会随着时间的流逝而延伸,并放大成旋臂段,然后连接起来形成银河系长臂。

在前一种理论中,旋臂可以持续数十亿年,而在后一种理论中,旋臂的寿命较短,而新的旋臂在银河系的整个生命中会出现很多次。

由于没有明确的诞生日期,因此很难推定银河系的年龄。目前的推测是,随着宇宙历史上早先形成的许多较小的原星系发生碰撞和融合,银河系才逐渐融合在一起。银河系大概在50亿年前就已经被认作是一个大型星系,但它现在看起来可能与当时大不相同,因为大型合并很可能会扰乱任何现有的螺旋结构。

我们对银河系的最新测绘仍将需要更多的观察,下一代支持VLBI的射电望远镜阵列将为之提供帮助。该阵列目前正在计划中,包括非洲的平方公里阵列和北美的下一代超大型阵列。两者都是射电望远镜的巨大阵列,预计将跨越整个大陆,并且在10年内可以全面投入使用。

与当前阵列相比,通过大大增加望远镜的收集面积,新一代的天文望远镜能够探测到来自恒星的微弱的无线电辐射,因此我们对银河系中的观察视线将变得更远。最终,科学家们能够更精确的测绘出银河系的超大型结构。

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