寫在前面的話

本文作者之一：李靜，從事銀河系結(jié)構(gòu)研究工作已有十年，讓我對銀河系怦然心動的，是十年前2011年仲夏之夜的一次偶然機會。身處在祁連山麓，遙望滿天璀璨的繁星，第一次目睹明亮浩瀚的銀河高懸其中。那一瞬間，作為一個天文人，我興奮得濕了眼眶，激動不已！心中不禁感慨：覽盡世間萬千風景，不及“天河”一抹星光。

圖1. 銀河星空（圖源：網(wǎng)絡）

橫跨天際的這條璀璨星河，令古往今來無數(shù)文人墨客魂牽夢繞，更讓一代代天文人心馳神往。

銀河系如同浩瀚宇宙中的一處島嶼，而我們就居住在這個“宇宙島”之上，天文學家一直在努力探索銀河這座恒星之島究竟有多長多寬，是怎樣的波瀾壯闊，是如何的豐富多彩。而行走在這座宇宙島之上的萬千星辰演繹著怎樣的車水馬龍？又訴說著怎樣的傳奇故事？

圖2. 銀河系示意圖（圖源：維基百科）

隨著觀測技術的進步，尤其重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），它發(fā)布的千萬光譜成為天文學家構(gòu)建“數(shù)字銀河系”的基石。恰逢歐洲航天局發(fā)射的蓋亞衛(wèi)星(Gaia)發(fā)布了十億多顆恒星的精確距離、亮度和自行。因此LAMOST與Gaia的強強聯(lián)手為天文學家研究銀河系結(jié)構(gòu)、形成與演化問題提供了有史以來最全面、最詳細的數(shù)據(jù)資源。近年來，科研人員把握機遇，在銀河系的研究上不斷取得突破性進展。

近期，西華師范大學物理與空間科學學院李靜副研究員與國家天文臺薛香香研究員等人在銀河系結(jié)構(gòu)方面的研究又有新突破。團隊利用LAMOST和Gaia數(shù)據(jù)，對位于反銀心方向的麒麟座星環(huán)、三角座-仙女座星流和A13等子結(jié)構(gòu)的起源開展研究，發(fā)現(xiàn)它們并不是來自銀河系吸積的矮星系，而是銀河系外盤的一部分。該成果已在國際知名天文期刊《天體物理學報》（2021,ApJ,910,1）上發(fā)表。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abd9bf

該研究結(jié)束了天文界長期以來關于反銀心子結(jié)構(gòu)起源的爭議。研究還發(fā)現(xiàn)反銀心的子結(jié)構(gòu)可延伸到距離銀河系中心近10萬光年處，是經(jīng)典銀盤尺度的2倍。這也佐證了2018年中西國際團隊利用LAMOST數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)銀河系尺寸比傳統(tǒng)認知大一倍的結(jié)論。

目前我們認識的銀河系包括核球、銀盤和銀暈。銀盤是銀河系恒星形成的主要區(qū)域。天文學家把銀河系中心稱為銀心。人類生活在太陽系中，我們凝視銀河的視角自然也是以太陽為基準點。在天文學家眼里，從太陽出發(fā)，朝向銀河系中心的區(qū)域為銀心方向，背離銀心的區(qū)域稱為反銀心方向。

LAMOST銀河系反銀心方向巡天是LAMOST銀河系巡天的重要組成部分，因此天文學家利用LAMOST反銀心方向的大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，開展了一系列反銀心方向的科學研究。

天文學家對于反銀心方向上子結(jié)構(gòu)的研究如同一場星空旅行，收拾“數(shù)據(jù)行囊”從太陽出發(fā)，沿著反銀心的方向輻射狀撒網(wǎng)，一路尋找萬千星辰綻放的“結(jié)構(gòu)花”。見微知著，推陳出新。天文學家為描繪出完整的銀河畫卷努力添墨加彩。

沿途的“結(jié)構(gòu)花”

關于銀河系反銀心結(jié)構(gòu)的研究最早可以追溯到2002年。美國倫斯勒理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute）的海蒂·紐伯格（Heidi Newberg）教授及其合作者發(fā)現(xiàn)，在銀盤的外側(cè)有一簇高度密集的恒星，呈現(xiàn)出恒星團塊的模樣，天文學家稱這樣的恒星聚集團塊為恒星“子結(jié)構(gòu)”，而這個子結(jié)構(gòu)就是我們所熟知的麒麟座星環(huán)（也稱麒麟環(huán)，Monoceros Ring）。

從我們所處的位置背對銀河系中心沿著銀盤向外望去，麒麟座星環(huán)距離我們大約3萬光年，意味著它距離銀河系中心約有6萬光年（太陽距離銀河系中心約3萬光年）。當時，天文學家猜測這一團與眾不同的恒星結(jié)構(gòu)或許是矮星系被銀河系潮汐力瓦解留下的印記，后來一些研究認為，麒麟座星環(huán)可能是銀盤翹曲或者邊緣增厚的一部分。之后10余年間，天文學家一直為揭開這些子結(jié)構(gòu)的真正起源而不斷搜尋證據(jù)。

隨著研究的深入，反銀心方向更多的子結(jié)構(gòu)陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，劍橋大學桑吉卜·莎瑪通過2微米全天巡天計劃（2MASS）數(shù)據(jù)，在更遠的反銀心區(qū)域發(fā)現(xiàn)了“A13”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)距離銀心7.1萬光年，距離銀河系中心大約8萬光年。天文學家還發(fā)現(xiàn)了與麒麟座星環(huán)類似的另一個子結(jié)構(gòu)，也就是著名的三角座－仙女座星流（Triangulum Andromeda Stream）。這兩個子結(jié)構(gòu)的距離都遠遠超出了傳統(tǒng)上認為的銀河系盤只有5萬光年半徑的邊界。

這些“結(jié)構(gòu)花”的發(fā)現(xiàn)不斷刷新人們對銀盤大小和結(jié)構(gòu)特點的認知。早期發(fā)現(xiàn)的這些結(jié)構(gòu)主要基于測光數(shù)據(jù)，當時反銀心區(qū)域恒星光譜數(shù)據(jù)非常缺乏，而且銀盤上消光嚴重，因此，早期天文學家對反銀心結(jié)構(gòu)并沒有具體的分類。

直到2012年，李靜等人利用美國斯隆數(shù)字巡天計劃（SDSS）第八次數(shù)據(jù)釋放發(fā)布的光譜，描繪了反銀心子結(jié)構(gòu)的特征，根據(jù)運動學性質(zhì)的不同將反銀心結(jié)構(gòu)分為了反銀心星流，東部帶狀結(jié)構(gòu)，以及真正的低銀緯麒麟座星環(huán)。

2015年，國家天文臺徐巖等人通過利用SDSS數(shù)據(jù)進一步研究，發(fā)現(xiàn)了兩個著名的新結(jié)構(gòu)，分別為距離銀心3.3萬光年的北近結(jié)構(gòu)和距離銀心3.9-4.5萬光年的南中結(jié)構(gòu)。證實了反銀心區(qū)域恒星南北不對稱的分布特點，同時還大膽猜測這些子結(jié)構(gòu)都是銀盤波浪起伏的不同凹凸部分。

圖3. 銀河系盤具有“波浪”一樣的起伏特點（圖源：海蒂·紐伯格）

至此，天文學家由太陽出發(fā)，向著反銀心方向，沿途發(fā)現(xiàn)的“結(jié)構(gòu)花”包括北近結(jié)構(gòu)、南中結(jié)構(gòu)、麒麟座星環(huán)、A13結(jié)構(gòu)和三角座－仙女座星流，從3.9萬光年到9.8萬光年依次延展排列，構(gòu)成了反銀心方向上獨特的風景線。不僅如此，這些恒星子結(jié)構(gòu)還交替出現(xiàn)在銀盤的南北兩側(cè)，勾勒出銀盤波浪狀起伏的優(yōu)美姿態(tài)。

2017年，美國費米國家加速器實驗室Li Ting S.等人對反銀心子結(jié)構(gòu)A13進行了更深入地研究，推測該結(jié)構(gòu)可能也是盤波浪狀起伏的一部分。

圖4. Li Ting S.等人2017年推測的盤“波浪”模型（圖源：Li Ting S.）

“結(jié)構(gòu)花”的發(fā)源地

這些子結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)讓天文學家重新認識了我們的銀河，不是傳統(tǒng)認知的光滑扁平盤，而是星波蕩漾的不安分銀河。但這些反銀心子結(jié)構(gòu)到底來自何方？天文學家對此莫衷一是。

直到2021年，李靜和薛香香等人利用LAMOST在銀河系反銀心觀測到的大樣本恒星光譜，結(jié)合Gaia的高精度自行，將反銀心子結(jié)構(gòu)的起源問題研究推上了一個新的高度，結(jié)束了十幾年來天文界對反銀心子結(jié)構(gòu)起源問題的爭議，揭開了銀河系恒星“結(jié)構(gòu)花”的身世之謎。

圖5. 銀河系下的郭守敬望遠鏡LAMOST（拍攝：張超）

李靜和薛香香等人從LAMOST數(shù)據(jù)中挑選了大量的紅巨星。這類恒星非常明亮，即使離我們很遠也能被觀測到，所以紅巨星是天文學家研究銀河系暈和外盤的強有力探針。利用這個樣本，李靜等人在距離銀河系中心3.9萬光年到9.8萬光年范圍內(nèi)分別找到了兩個位于反銀心附近的恒星小團隊（共589顆紅巨星），其中一個位于銀盤的上面，另一個位于銀盤的下面。

天文學家手握這樣的“結(jié)構(gòu)花”，并未止步于欣賞它們呈現(xiàn)的美，更期待挖掘它們背后的故事。這些恒星來自哪里？是否包含了之前已有子結(jié)構(gòu)的成員星？是何種魅力讓這些恒星惺惺相惜，聚集在一起？帶著這樣的問題，李靜和薛香香等人繼續(xù)從恒星的細節(jié)入手，獲取這些恒星的位置、速度、化學元素的含量（金屬豐度和a元素豐度）等信息，這些信息成為天文學家對恒星進行“身份識別”和“尋根問祖”的可靠依據(jù)。

與之前在反銀心區(qū)域發(fā)現(xiàn)的子結(jié)構(gòu)進行位置對比，李靜和薛香香等人發(fā)現(xiàn)，她們找到的兩個恒星小團隊覆蓋麒麟座星環(huán)、A13和三角座-仙女座星云三個已知子結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了目前最大、覆蓋最廣、擁有三維運動和化學信息的反銀心子結(jié)構(gòu)成員星樣本。困擾了天文學家10余年的反銀心結(jié)構(gòu)起源問題終被揭曉。

銀河系盤結(jié)構(gòu)與其它旋渦星系一樣被認為具有薄盤和厚盤兩個組成部分（如下圖所示）。為了證實已確認的反銀心子結(jié)構(gòu)成員星的出身，李靜和薛香香等人再次進行身份匹配，將這些已確認的反銀心子結(jié)構(gòu)成員星的化學元素含量、運動特征以及能量角動量分布與銀盤進行“親子鑒定”，驚喜地發(fā)現(xiàn)，這些成員星與銀盤擁有相似的近圓運動軌道，金屬豐度與厚盤星相似。

圖6. 銀河系結(jié)構(gòu)示意圖（圖源：網(wǎng)絡）

通過進一步驗證，她們還發(fā)現(xiàn)這些子結(jié)構(gòu)成員星的a元素豐度明顯低于厚盤，這是由于目前外盤依然存在很多冷氣體，相對于內(nèi)盤，分子云密度低，歷史上平均的恒星形成效率低，化學元素的金屬豐度增加的不充分，因此a元素豐度比厚盤星要低。綜合運動特征和化學DNA鑒定，李靜和薛香香等人推斷這些子結(jié)構(gòu)成員星應該屬于低a豐度貧金屬外盤星，意味著這些反銀心子結(jié)構(gòu)起源于銀盤。這些成員星分布于距離銀河系中心3.9萬光年到9.8萬光年的范圍，這也說明離銀心9.8萬光年處仍然存在外盤成分。

圖7. 子結(jié)構(gòu)星群在銀道坐標系下的分布（圖源：李靜）

這一研究成果證明銀盤的半徑至少有9.8萬光年，是人們認識的經(jīng)典盤尺度的兩倍，這與2018年劉超研究員等人的國際團隊研究成果——銀河系從“二環(huán)”擴建到“五環(huán)”的結(jié)論是吻合的。同時證明了研究人員認為麒麟座星環(huán)，A13，三角座-仙女座星云是銀河系外盤一部分的觀點是正確的，且在外盤區(qū)域，銀盤的這種波浪形起伏特征更加地平緩延展。

銀河系結(jié)構(gòu)和形成演化問題一直是天文學研究的重要前沿課題，在許多方面尚未形成一致觀點，人類對銀河系和宇宙的探索永無止境，借助日益進步的技術與設備，天文學家將更好地認識波瀾壯闊的銀河系，逐步繪制出更加完整真實的銀河畫卷。

作者簡介：李靜，西華師范大學物理與空間科學學院天文系副研究員，主要研究方向是利用巡天項目大數(shù)據(jù)研究銀河系子結(jié)構(gòu)的形成和演化；李雙，中國科學院國家天文臺工程師，LAMOST運行和發(fā)展中心宣傳主管。

文稿編輯：趙宇豪