为什么星系的边缘会「翘」起来?(星系的边缘翘起来)


一言以蔽之:星系盘中的天体在旋转的过程中发生了倾转!

记住这一点:很简单地去设想一下,一群旋转的天体偏离了旋转面——也就是说,它们的旋转轴发生了偏折,造成天体们的轨道逐渐倾斜,并由此引起了两个直观的现象:从侧面看去,1.旋转中的天体有的会向上,还有的会向下运动(运动学);2.这群天体中有的到了高处,有的去了低处(几何学),这便是“翘”之所在。

倾斜的星系盘示例,发挥想象力,设想一下整个星系盘都是倾斜的,并且倾斜的程度和方向都不同,外部的翘曲最明显。 图片来源:James Binney, Andrew Eyre

来龙去脉:

这个问题是我在 2016 年秋天问的,当时没有确定的答案,之后的几年里,关于翘曲的研究有了突破性的进展。人们也在逐渐接近真相,同时又产生了更多疑问。而这个答案将会参考最近的一篇论文:《舞动的银河系:跨越银盘的进动与倾转》

银河系是我们人类的家园星系,银盘就是银河系内天体聚集的地方,它很薄,侧面看去就像一个盘子。在宇宙中有大量跟银河系性质相似的星系,因此研究银河系可以帮助我们认识星系的结构和演化。

1.翘翘的银河是怎么发现的?

早在上个世纪中叶,人们便发现银河系和河外星系外部边缘的气体分布高低不一致,因此推测出银河系也具有翘曲结构。然而,气体的距离和三维运动速度很不好测,翘曲研究也停留在模型假设上。直到 2019 年,科研人员才通过一种方便距离测量的特殊年轻天体——造父变星,第一次直接观察到了银河系的翘曲。有趣的是,这个工作几乎同时被中外两拨科研人员独立做出来,分别刊发在《自然·天文》和《科学》两个期刊上。

造父变星的三维分布展示出翘曲的形态,右上图是它们从侧面看去的样子。造父变星又被称为“宇宙灯塔”,是一种用来测量距离的特殊恒星。来源:Chen 等人(2019,自然·天文)

不过这仅仅看到了银河系外部翘曲的几何结构,为了分析翘曲是怎么运动的,2020 年,科研人员利用一颗天体测量卫星”Gaia“的数据,发现银河系边缘有一大堆恒星整体上有往“上”跑的趋势,并由此推算出银盘外部翘曲结构具有很强的“进动”模式,这个工作刊发在了《自然·天文》上。

然而,将银河系边缘往“上”跑的趋势看做是翘曲结构的运动特征,仅仅是一个假设,因为这些恒星距离很不好测,没办法直接用它们展示银河系的翘曲结构。而造父变星的运动速度测量误差太大,因此很难同时获取翘曲的几何结构和运动特征。

2.银盘上是否存在一种天体,可以同时兼顾距离和速度的高精度测量吗?

有!这便是今天另一个主角——疏散星团(OC)。疏散星团是几十个到上千个恒星的聚集体,这些恒星大多同时在同一个很小的区域产生,因此具有近乎相同的年龄、距离和运动速度。因此,虽然单个的恒星距离和运动测量误差很大,但对于疏散星团来说,几十上百颗恒星进行平均后,误差将会大大减小。

一个著名的疏散星团——昴星团,又叫七姊妹星,这是一个距离很近的年轻星团,人们用肉眼都能看到。 来源:Dean Salman

不过,为什么一直以来,疏散星团缺席了翘曲结构的研究呢?

因为它太少了,远处的就更稀有。如果要呈现出银河系翘曲,需要有大量距离在 2 万光年以上的星团。然而,受限于观测精度,在过去(2018 年前),人们无法高效地分辨疏散星团的前景和背景恒星,因此,仅有两三千个近处的疏散星团被发现,并且后来还证实其中可能有 1/3 以上并非真实星团,其中不到 100 个距离可以达到 2 万光年。

2018 年以后,天体测量卫星”Gaia“数据的释放改变了这个局面:天体测量主要是测恒星的位置变化,而疏散星团成员星位置变化非常一致,与背景和前景恒星可以区分开来。利用这个特点,近五年以来,有超过 6000 个疏散星团被证认出来。值得一提的是,其中一半以上的新星团是中国一所大学的科研人员找到的,并且按照惯例这些新星团用学校的名字来编号成表,对中国的大学来说尚属首次。

欧洲航天局“Gaia”卫星,专门用来测量银河系里恒星的位置变化,观测的恒星数目达 15 亿颗以上,并因此带来了数千个疏散星团的发现,比如“UBC”(巴塞罗那大学)星团,“CWNU”(西华师范大学)星团。 来源:ESA

3.疏散星团带来的新发现

利用这些疏散星团,尤其是大量的远距离“CWNU”疏散星团,科研人员复现了银盘外部的翘曲几何结构,这种结构同造父变星展示的结果很一致。

疏散星团展示的银河系结构,右图是侧面看上去的样子,显示出外部翘曲的形态。 来源:He (2023,天体物理学快报),下同

令人惊喜的是,疏散星团还给大家带来一个新的认识:

翘曲并非仅在星系边缘,整个星系盘都是”翘“的!

从左至右代表银河系从内到外翘的程度,过去人们认为星系仅仅是外部在翘,而疏散星团展现出了跨银河系内外的翘曲。这里仅仅是一个示意图,更严格的计算表明银盘内部翘曲方向与外部相反。

如上图所示,相比于银河系外部,内部“翘”的幅度要小一些,乍一眼是看不出来的,但如下图所示,疏散星团们在几何和运动学上都显示出了翘曲的特征。过去人们认为太阳系附近没有翘曲,然而这个工作表明,星团和造父变星都显示出太阳系所在区域也是处于倾斜的银盘之中,幅度还不小(大约 0.6 度)!

就是这 0.6 度,就足以让太阳系在银盘中的垂直速度发生 1 km/s(千米每秒)以上的改变,使得银盘进动的计算数值发生变化,并且高精度的天体测量也不能忽视这一效应......当然,这是后话。

左图:银河系内部翘曲以及随之带来的向下的系统运动速度(见左下,速度负值);右图:外部翘曲及向上的速度,黑线和蓝线代表不同的进动大小,进动就是自转轴绕某一中心的旋转现象

与此同时,另一个运动也被初次显现出来:银盘倾转。

方才说过,天体的轨道是倾斜的。然而,怎么倾斜呢?通过疏散星团的三维速度,计算得出银盘轨道倾斜角度由内而外都正在发生变化,而在过去,由于距离和运动的观测精度不高,并没有发现过这种“倾转”运动;并且,这个工作还给出了一个推论:星系中天体的平均轨道很可能不是完美的圆周,而可能是以椭圆轨道的形式存在——这也可以解释为什么翘曲两边的高度不对称,以及银盘中面不在一个平面上。

椭圆星系盘示意图,其中五角星代表星系中心,它是椭圆轨道的焦点之一,而星系盘的中面则在两个焦点中间。与完美的圆周盘不同,椭圆盘将会带来一个不平坦(但幅度很小,与星系半径相比仅有千分之一的起伏)的星系盘

这就是翘曲的运动学成因,所有天体在旋转过程中,旋转轨道(很可能是椭圆)同时在发生倾斜转动!这就好像裙裾摆动的、一个在跳舞的银河系。舞动的星系边缘幅度较大,看上去就有明显的“翘曲”,而在内部幅度要小一些,并且从侧面看上去,受到外部边缘前景的影响,不那么容易在几何图像上看到,但翘曲引起的垂直方向速度变化可以被发现。

过去,人们认为引起翘曲的银盘外部倾斜可能是星系附近的邻居造成的,但银河系疏散星团告诉我们,星系内部也有翘曲,而且这种翘曲变化的程度无法仅仅用外部环境的影响来解释。因此,新的问题也来了,造成星系倾转(椭圆)进动的动力学原因,又是何在?

这便是今后要去解决的问题了!


参考:

Theoretical Astrophysics - Research - Warps

A three-dimensional map of the Milky Way using classical Cepheid variable stars-Science

An intuitive 3D map of the Galactic warp's precession traced by classical Cepheids-Nature Astronomy

ESA Gaia

Evidence of a dynamically evolving Galactic warp-Nature Astronomy

Survey for Distant Stellar Aggregates in the Galactic Disk-ApJS

Geometry and Kinematics of a Dancing Milky Way: Unveiling the Precession and Inclinational Variation across the Galactic Plane via Open Clusters-ApJL

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