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【中国科学报】银河系的那些“晕星”

文章来源:中国科学报 沈春蕾 李双   发布时间:2019-08-27  【字号:     】  

  银河系是人类赖以生存的星系,也是宇宙中众多星系中的普通一员。研究表明,银河系包含盘、核球和晕,银晕中有少量的恒星和大量的暗物质。这些恒星分布不是均匀的,而是会存在一些团块,被称为子结构。这些子结构大多是来自银河系外的“移民”。日前,中国科学院国家天文台(以下简称国家天文台)科研团队利用LAMOST数据在银晕中发现了40余组子结构,该项研究成果已经发表在国际天文期刊《天体物理学报》上。

  “此次发现包括大量的人马座星流、麒麟座星环、室女座致密区和孤儿星流等银晕中已知子结构和其他未知子结构的成员星。团队首次发布了银晕中大样本子结构的六维参数信息。这些信息能够更加精确地追踪银河系形成过程中发生过的吸积事件(星系在演化过程中通过引力作用‘吃掉’周围小质量系统的过程)。”论文第一作者、国家天文台博士研究生杨成群告诉《中国科学报》。

  银河系以及暗物质晕

  银河系是唯一可以让人们从三维到六维空间上研究的星系。论文作者之一、国家天文台研究员薛香香解释道:“六维参数指的是三维位置和相应的三维速度。”

  杨成群和导师薛香香,联合西华师范大学李静博士,以及国家天文台张岚博士、刘超研究员、赵刚研究员等,利用LAMOST DR5(郭守敬望远镜发布的第五批数据)中K巨星的三维位置和三维速度,在银河晕中找到40余组子结构,包含近2000颗恒星。

  巨星是恒星的一个演化阶段,因其很亮,以至于在遥远的银晕中也可以被观测到,所以是研究银晕的优秀示踪体。为何用光谱型为K的巨星呢?杨成群告诉记者,因为K型巨星的数量多,有利于进行研究。

  薛香香指出,“提到银晕,就不得不提恒星晕和暗物质晕。这两个晕只是按照不同的构成命名,暗物质晕和恒星晕在空间上是有重合的,但是暗物质晕更延展。”

  薛香香进一步指出,银河系中有大量的暗物质,这些暗物质几乎都存在于暗物质晕中,大多数星系都镶嵌在这种暗物质晕当中,但是暗物质的性质,如质量和范围,到现在仍未能准确确定,而恒星晕的运动状态恰恰能够反映暗物质的质量分布和范围。测量银河系暗物质晕的质量需要分析恒星晕的速度弥散,而子结构会影响速度弥散的测量,因此在开展银河系暗物质晕质量测量之前,需要先将子结构从样本中挑出来。

  证认出可靠的子结构

  不难发现,银晕中的恒星只占银河系中所有恒星的一小部分,但是它们对研究银河系形成历史、测量银河系暗物质晕质量至关重要。薛香香表示:“因为距离银河系中心越远的恒星,其动力学周期越长,所以动力学形成的印记可以被保留下来,如吸积留下的遗迹——子结构。”

  标准宇宙学冷暗物质模型认为,在银河系形成过程中发生过上百起吸积事件。因此如果能够找到发生星系并合或吸积的证据,就可以很好地支持这一理论。通常星系在发生吸积并合时,会在其周围的空间(晕)中留下原星系的残骸,例如星流、致密区、壳层等子结构。

  薛香香说:“相较于前人的工作,LAMOST提供了目前世界上最大的位于银晕中的K巨星样本,结合Gaia(欧空局盖亚空间天体测量卫星项目)的自行,我们首次得到这些恒星的三维位置和三维速度,参数空间更完整(前人的数据都缺少自行),因此证认出的子结构更可靠。”

  为了寻找这些子结构,科研团队利用LAMOST DR5中K巨星的空间位置和视向速度,再结合匹配自Gaia DR2的切向速度信息,得到13000余颗具有完整六维相空间信息的晕星星表,同时这也是目前能够得到的拥有完整六维参数的最大的银河系晕星星表。

  “我们在对样本中具有相似速度和位置的恒星进行归类和分组后,在13000颗晕星样本中找到了40余组,近2000颗晕星是属于子结构的。这些恒星具有明显区别于本地晕星的成团性(位置和速度空间)。此外,我们还找到了18组、300余颗很可能是首次被发现的新的子结构。”杨成群说。

  不久前,来自中国科学院天文大科学研究中心和美国伦斯勒理工学院的联合科研团队,利用此方法追踪到人马座星流,并第一次描绘出人马座星流精确的三维空间轨道分布。薛香香也参与了此项工作。她说:“在这项工作中,我们不仅证认出很漂亮的人马座星流,还首次证认出位于南天(银纬小于0度)的麒麟环,并发现了不少新的星流。”

  分析并追溯其前身星系

  薛香香指出,在银晕中寻找子结构,最终的目的是追溯这些子结构的起源,重现银河系的吸积历史,了解银河系在其成长过程中吸积过什么样的矮星系。

  在研究过程中,科研团队遇到的最大的困难是测量K巨星的距离。杨成群说:“尽管我们有测量K巨星距离的经验,但是应用在LAMOST海量数据上的时候,还是要与其他高精度测光数据库做交叉、做定标,多种方法互相检验,计算海量数据耗时耗力。”

  “通过与前人的工作对比,我们此次发现20余组是前人已经发现的,还有10余组很可能是新发现的子结构。除了位置和速度,LAMOST还将为这些恒星提供化学丰度,我们将对这些子结构进行化学—运动学的详细分析,进而研究它们的起源。”杨成群告诉记者。

  “银河系剔除子结构以后,理论上剩下的就是分布均匀的恒星晕了。”薛香香指出,“值得注意的是,没有任何一种方法可以保证子结构成员星的证认率为100%,我们只能说我们证认出了绝大部分的子结构。剔除子结构的样本可以用来测量银河系暗物质晕的质量,计算银河系恒星晕的各向异性参数等。”

  薛香香透露,下一步,科研团队将对找到的子结构进行细致的分析,还可能会申请大望远镜对某些子结构进行高分辨率后续观测,用于分析其化学丰度,希望能从化学上追溯其前身星系。

  (原载于《中国科学报》 2019-08-27 第8版 探索发现)



(责任编辑:侯茜)

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