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        宇宙開發商在太陽城區外“建房”

        來源:光明網責任編輯:安思翰
        2021-01-08 10:23

        太陽:既不平凡也不簡單

        對于人類來說,太陽無疑是宇宙中最重要的天體。沒有太陽,地球上就不可能有姿態萬千的生命現象。太陽給人們以光明和溫暖,為地球生命提供了各種形式的能源。在宇宙的舞臺上,太陽是一顆個頭中等、亮度一般、且在銀河系的千億恒星中不算突出但卻又不平凡的恒星,銀河系中有許許多多類太陽恒星。

        正是因為太陽的普適性與重要性,讓天文學家千百年來對太陽及太陽附近的研究情有獨鐘,科學家通過太陽的方方面面來探索恒星的各種理論。

        太陽作為太陽系內唯一的恒星,直徑相當于地球的109倍,質量大約是地球的333,000倍(2×1030千克),其結構從內到外大致是核反應區、輻射區、對流區、光球層、色球層、日冕層。目前太陽正值壯年,下圖表示的是太陽一生的演化軌跡。

        圖1:太陽(類太陽)一生演化示意圖(圖源:維基百科)

        此外,太陽作為銀河系盤上的一顆G型主序恒星,距離銀河系中心大致2.7萬光年。太陽附近的結構豐富多彩,讓一代代科學家心弛神往,下圖展示的就是太陽附近美不勝收的星云與各種各樣的天體,從圖中我們可以看到,區區0.16萬光年范圍內的結構分布令人嘆為觀止。

        圖2:太陽附近1600光年范圍內豐富多彩的結構(圖源:維基百科)

        太陽附近的“屋脊”

        隨著天文儀器的發展和科學的進步,天文學家對于太陽鄰近區域的研究視野逐步拓寬,“遠一點再遠一點,多一些再多一些”是天文學家探索太陽附近一直以來的追求。

        在距離太陽大致1萬光年的區域,我們會發現更多顯著而有趣的結構特征,它們對于人類理解太陽鄰域乃至整個銀河的歷史都有著不可替代的作用。

        2018年,歐洲空間局天體測量衛星蓋亞正式發布數據后,西班牙巴塞羅那大學的女天文學家安東婭·特麗薩揭示出了太陽附近一些恒星的速度和密度在空間分布中呈現出“蝸牛殼”形狀的特征和類似“屋脊”形狀的結構,這些結構再次告訴我們銀河系不是完全處于平衡狀態的,而是不安分的。

        圖3: 左圖為斜線狀的銀河“屋脊”特征,右圖為螺旋狀的銀河“蝸?!苯Y構(圖源:Antoja et al. (2018))

        目前國際天文學家對于“蝸牛狀”結構的討論相對較多,但對于“屋脊”的研究相對較少。什么是“屋脊”結構呢?恒星的速度或密度在空間中的分布清晰地呈現出很多斜線結構。如同我們人類所住的房屋脊梁一般,因此被稱為“屋脊”結構(如圖3、圖5)。

        近幾年,在太陽附近我們發現了這種“屋脊結構”,這就如同我們一直在太陽系城區的郊外勘探,發現那里的恒星一點也不安分一點也不孤寂,還抓拍到了恒星們生動活潑的一面,時而圍成“蝸牛殼狀”的隊形載歌載舞,時而搭起“屋脊”一樣的輪廓翩翩起舞……

        這些新穎而獨特的舞姿結構對于進一步正確地認識太陽附近乃至整個銀河系的特點和演化歷程是非常重要的新線索。

        除了欣賞這些恒星們美輪美奐的舞姿隊形,天文學家更想了解到底是“誰”編排了這樣的新舞蹈?“屋脊”結構作為一種新興編排隊形,天文學家為找到其背后的“指揮家”兵分多路,全力以赴。在探索浩瀚星空的道路上我們的科學家都成了“福爾摩斯”。

        2019年,澳大利亞天文學家喬斯·霍索恩的團隊從理論上對“屋脊”起源進行了新的詮釋。一方面,他們的理論認為如果是銀河系的旋臂混合作用“編排”了“屋脊”結構,這種情況下我們會探測到不同類型的“屋脊”信號。另一方面,他們認為如果引起“屋脊”結構的因素和引起太陽垂直方向的恒星非對稱特征的因素是統一的,那么銀河系的人馬座星流則是必不可少的“貢獻者”。

        但是這些豐富的理論依然缺乏多維度數據的精細檢測與生動刻畫,大樣本恒星的多維度精確物理參數才能顯著地幫助我們對于這類科學問題進行實質性的探究進而推動認知。

        圖4:旋渦狀的銀河系及圍繞它的人馬座星流,右下角為銀河系旋臂示意圖(圖源:維基百科)

        LAMOST眼中的“屋脊”

        “你正好需要,而我剛好擁有”,這大概是世間最美的情話。

        由國家天文臺運行的國家重大科技基礎設施LAMOST望遠鏡可以提供迄今為止數量最多的恒星光譜數據和較為精確的速度信息、化學信息、年齡信息等等。如此豐富的資源為天文學家在多維度下細致刻畫太陽附近的“屋脊”信號提供了非常難得的機遇,也為檢驗“屋脊”相關的天體物理學理論預言帶來了契機。

        近期,由LAMOST特聘青年研究員王海峰主導的國際研究團隊,利用LAMOST海量數據中不同類型的恒星,第一次在相空間中發現了兩種類型的“屋脊”結構且伴隨著三維不對稱的速度信息,這份觀測證據明顯暗示著目前所看到的“屋脊”信號很可能來源于不同的天體物理學過程。

        圖5:左圖是天文學家眼中太陽附近的“屋脊”圖像,右圖是我們生活中的屋脊圖案(圖源:Wang et al. (2020))

        與此同時,該團隊按照恒星的位置,將LAMOST數據分成兩組,一組是太陽南邊的恒星,一組是太陽北側的恒星,經研究發現南北兩邊的“屋脊”分布呈現對稱特征。

        眾所周知,恒星的化學DNA鑒定是對恒星和星系進行考古的有效手段,他們通過分析這些恒星的化學DNA成分,在大量恒星的金屬豐度和化學豐度分布上也探測到了“屋脊”信號。

        最后,為了追溯該結構的歷史演化脈絡,在人類可探測到的范圍內,他們還揭示出該結構的“存活時間”很可能是橫跨了整個宇宙時間的,也就是說“屋脊”結構可能從很年輕就開始受到了擾動影響,從此它就一直不安分地生存在宇宙空間中,等待人類將其發現。

        盡管該國際團隊正在進行更多的深入剖析,但是基于目前他們探測到的兩種類型的“屋脊”結構以及豐富的化學運動學信息,他們認為編排“屋脊”結構的“幕后操作者”最有可能是銀河系中的旋臂和人馬座星流等擾動對象,它們的共同參與才繪制出了如今望遠鏡拍攝到的豐富多彩又此起彼伏的銀盤圖像。

        巧合的是,這一發現與此前王海峰等人提出的銀盤起源探索計劃(MWDPSG)的主要觀點不謀而合,并且促進了我們對于未來更多的相關天體物理問題與理論的認識。

        圖6:LAMOST望遠鏡和歐洲空間局的Gaia衛星(圖源:LAMOST運行和發展中心)

        珠聯璧合

        LAMOST已經發布了8年巡天的千萬光譜數據集,為天文學家提供了較為準確的恒星化學豐度、年齡以及較遠處的恒星視向速度、距離等豐富信息。而歐空局蓋亞衛星(Gaia)的第三批數據也已經來臨,Gaia可以為天文學家提供史無前例的高精度切向速度等參數信息。

        LAMOST與Gaia的強強聯手,將使得天文學家迎來重塑銀河系歷史真相的黃金時期,期待更多天文學家把握機遇,描繪出銀河系最真實壯觀的畫卷。

        作者簡介:王海峰,現為云南大學博士后和中國科學院LAMOST特聘青年研究員。研究領域為銀河系化學動力學起源、時域恒星演化、天文大數據等等。李雙:中國科學院國家天文臺工程師,LAMOST運行和發展中心宣傳主管。

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