□ 文 何銳思（Richard de Grijs）/ 翻譯 程思淼

神秘之“X”
——銀河系中心區(qū)的深度解讀

□ 文 何銳思（Richard de Grijs）/ 翻譯 程思淼

何銳思（Richard de Grijs）

北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學(xué)聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

在2013年9月和10月，基于歐洲南方天文臺（ESO）的數(shù)據(jù)，三個國際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了重要的成果：他們繪制出銀河系中心區(qū)（即“核球”區(qū)）迄今為止最好的三維地圖。他們發(fā)現(xiàn)，從某個角度看上去，銀河系中心的區(qū)域就像一個花生殼的形狀（或者說是“X”型）。

核球是銀河系中最重要、質(zhì)量也最大的區(qū)域之一。這是位于星系中心的巨大恒星集中區(qū)。銀河系直徑約為10萬光年，恒星總數(shù)約1000億顆；而在核球幾千光年的范圍里，大約有100億顆古老的恒星。不過，對于這一區(qū)域的結(jié)構(gòu)和起源，我們現(xiàn)在尚不十分清楚。不巧的是，從地球的角度向銀河的中心看去——那里距我們大約27,000光年——會遇到濃密的氣體和塵埃云，把銀河系中心發(fā)出的可見光完全擋住。只有波長較長的電磁波（如紅外線）能夠穿透塵埃的阻擋，因此，只有在這些波段，天文學(xué)家才能看到核球較為清楚的樣子。

早先由2微米全天巡天（2MASS）在紅外波段進(jìn)行的巡天（1997-2001）已經(jīng)暗示，銀河系的核球可能具有神秘的“X”型結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，三個團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家對核球的結(jié)構(gòu)有了更清楚的觀察。第一個團(tuán)隊(duì)來自德國的馬克斯·普朗克地外物理研究所（MPE），他們使用的是VISTA望遠(yuǎn)鏡近紅外巡天的“公開”數(shù)據(jù)。VISTA（可見光和近紅外巡天望遠(yuǎn)鏡）口徑4.1米，隸屬于歐洲南方天文臺（ESO）。這個稱為“VISTA銀河系變星巡天”（VISTA Variables in the Vía Láctea，VVV）的計劃始于2009年，旨在巡視銀河系核球及其附近區(qū)域，其數(shù)據(jù)向全球天文學(xué)家公開。VISTA能夠觀測比之前巡天暗30倍的恒星。這個團(tuán)隊(duì)從浩繁的數(shù)據(jù)中辨認(rèn)出2200萬顆紅巨星，根據(jù)已知的紅巨星的性質(zhì)，就可以計算出它們的距離。

VISTA星表的深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了原來的巡天項(xiàng)目，因此，除了在那些塵埃遮擋最厲害的天區(qū)，我們幾乎能觀測到核球區(qū)所有的紅巨星?！鳖I(lǐng)導(dǎo)研究的科學(xué)家克里斯托弗·韋格（Christopher Wegg）說，“根據(jù)這些恒星的分布，我們就能夠繪出銀河系核球區(qū)的三維地圖。沒有借助任何模型的假設(shè)，而是完全依靠觀測的數(shù)據(jù)得出核球的形狀，這還是第一次。

我們發(fā)現(xiàn)，從（側(cè)面的）某個角度看上去，銀河系中心區(qū)的形狀就像一個花生殼；而從銀河盤面上方俯視，核球區(qū)則是一個長棒的形狀?！盡PE動力小組負(fù)責(zé)人奧特文·蓋爾哈德（Ortwin Gerhard）補(bǔ)充說，“這是我們第一次如此清楚地看到銀河系核球的樣子。而且，我們小組和其他團(tuán)隊(duì)所做的動力模擬顯示，這種花生殼形狀的核球，是所有從純圓盤狀演化而來的棒旋星系共同的特征。

同時，由智利天文學(xué)家羅伯特·薩伊托（Roberto Saito）和但丁·米尼提（Dante Minniti）領(lǐng)導(dǎo)的另一個國際團(tuán)隊(duì)，發(fā)表了他們對核球中恒星的多波段測光數(shù)據(jù)的分析。這份星表共包含315平方度天區(qū)內(nèi)8400顆恒星在三個波段的觀測數(shù)據(jù)。這份龐大的恒星測光數(shù)據(jù)造就了目前最大、最深、最精確的核球恒星“顏色-星等圖”。

VISTA巡天望遠(yuǎn)鏡獲得的銀河系中心區(qū)域視野。VISTA望遠(yuǎn)鏡隸屬歐洲南方天文臺（ESO），位于智利的帕拉納爾山。這張全景高分辨率照片共有近90億像素，由VISTA望遠(yuǎn)鏡用三種不同的紅外濾鏡拍攝的數(shù)千張圖像拼合而成。

“顏色-星等圖”是以天體的視亮度為縱軸、以“顏色”（用天體在不同波段下的星等差來表示）橫軸，把不同的天體的數(shù)據(jù)用點(diǎn)表示出來的圖。畫圖所需要的兩個量：視亮度和顏色，取決于恒星的光度、表面溫度、質(zhì)量、化學(xué)組成以及視線上塵埃的多少。不僅如此，在生命中的不同階段，一顆恒星在圖中的位置也是不同的。我們仿佛給銀河系拍了一張“快照”——我們相信這樣大量的隨機(jī)樣本可以代表整個銀河系中不同恒星的分布情況——薩伊托和同事們制作的這張圖就像是銀河系結(jié)構(gòu)和組成的“指紋”。

從這份“指紋”中，我們也可以讀到銀河系“X”型（或者說花生殼形）核球的證據(jù)。理解核球的形成和演化對于解讀銀河系的性質(zhì)是至關(guān)重要的。在銀河系的核球中，可以觀測到非常暗的單個恒星，這使得天文學(xué)家能夠根據(jù)它們的年齡、動力學(xué)和化學(xué)組成區(qū)分出它們各自屬于哪個星族。

“通過對銀河中心附近數(shù)千顆恒星的細(xì)致觀測，我們能夠了解很多有關(guān)銀河系——不只是銀河系，甚至是旋渦星系這一大類星系的形成和演化的信息。”薩伊托說。不過，核球位于銀河盤面的中心，銀河系中的大部分恒星、氣體和塵埃都集中于此，這使對核球的觀測充滿挑戰(zhàn)。擁擠的星場、強(qiáng)烈的星際消光、距離不同的恒星引起的不同視差效應(yīng)，都給觀測帶來困難。

第三個國際研究團(tuán)隊(duì)由智利天主教大學(xué)和歐洲南方天文臺的博士生塞爾吉奧·瓦斯奎斯（Sergio Vásquez）領(lǐng)導(dǎo)，他們使用一種不同的方法確定了核球的形狀。通過比較ESO 2.2米望遠(yuǎn)鏡拍攝的相隔11年的圖像，他們測量出核球中的恒星在天空中位置的細(xì)微移動。把這個數(shù)據(jù)與它們的視向速度（即接近或遠(yuǎn)離地球的速度，可通過光譜獲得）相結(jié)合，就可以得到這些恒星在三維空間中運(yùn)動的信息。他們一共獲得了核球中400顆恒星的運(yùn)動信息。

“這是第一次得到如此大量單個恒星的三維速度信息，”瓦斯奎斯總結(jié)說，“我們觀測到的恒星看上去就沿著‘X’型核球的臂流動，它們的軌道時而在銀河盤面上，時而在下。這與最新模型預(yù)測的結(jié)果完全吻合。”

銀河核球區(qū)恒星的運(yùn)動

天文學(xué)家認(rèn)為，銀河系最初是一個純圓盤狀的星系，在數(shù)十億年前時形成了一個扁平的“棒”。隨后，這個棒的中心部分逐漸變形成為現(xiàn)在看到的三維花生殼的形狀。對于這個現(xiàn)象，以前的解釋是：核球中的恒星都沿著香蕉形的軌道運(yùn)行。但最新發(fā)表的研究（2013年11月）認(rèn)為，這些恒星或許是沿著花生殼形或者說“8”字形軌道運(yùn)行的?！@有什么區(qū)別呢？事實(shí)上，這一區(qū)別非常重要：天文學(xué)家發(fā)展恒星運(yùn)動理論，不僅是為了理解銀河系中的恒星現(xiàn)在怎么運(yùn)動，更是為了理解銀河系是如何形成與演化的。銀河系的形狀像一個漩渦，其中心區(qū)域的恒星形成一個“棒”。在這個棒的中心區(qū)域，則有一個垂直伸展的“核球”（英文“bulge”本來表示“隆起”的意思，但一直以來，中文通常意譯成“核球”。現(xiàn)在知道這個核球是花生殼形的，但名字仍然可以沿用）。

在最新的工作中，美國羅徹斯特大學(xué)的愛麗絲·奎倫（Alice Quillen）和她的合作者建立了一個模擬銀河系中心會發(fā)生什么的數(shù)學(xué)模型。與太陽系中引力主要來自太陽不同，研究銀河系中心的引力場時需要綜合數(shù)百萬顆恒星、大量的氣體和塵埃的作用，甚至暗物質(zhì)也要來攪一攪渾水，因此極難模擬。在這個最新的數(shù)學(xué)模型中，奎倫和她的合作者考慮了核球內(nèi)部或附近的恒星受到的最主要的幾個力。

當(dāng)恒星在軌道上運(yùn)行時，它們同時也相對扁平的棒做上下運(yùn)動。穿過這個盤面時，這些恒星會受到一點(diǎn)小小的推力。這個力的效果與蕩秋千蕩到最低點(diǎn)時，我們用腳蹬一下是相同的。在“諧振點(diǎn)”——即距棒中心特定距離的一個點(diǎn)——處，作用在恒星上的“推力”足以使它運(yùn)動到盤面上更高的地方：也就是說被“推出”了核球區(qū)域。這里，“諧振”的意思是說在每個軌道周期里，恒星要穿過盤面兩次，因而要兩次受到垂直方向上的擾動。當(dāng)然，這與我們熟悉的太陽系里的運(yùn)動完全不同。那么，這種復(fù)雜的軌道應(yīng)該是什么形狀的呢？研究者通過計算機(jī)模擬得出結(jié)論：花生殼形的軌道與前述的諧振效應(yīng)是一致的，并且能夠使核球成為觀測到的形狀（即花生殼形）。

12月下旬，歐洲空間局（ESA）將要發(fā)射“蓋婭”（Gaia）衛(wèi)星，旨在為銀河系中的恒星繪制三維地圖并且追蹤它們的運(yùn)動（本文付印時，蓋婭已經(jīng)發(fā)射成功）。這幅3D地圖將幫助天文學(xué)家更好地理解我們銀河系的組成、形成和演化?！盎厮葶y河系的歷史、試圖了解那時有什么是非常困難的，不過計算機(jī)模擬可以提供一些線索?！笨鼈惤忉屨f，“我們的模擬顯示，恒星諧振區(qū)會隨著時間的推移向外移動。這可能就是在銀河系中發(fā)生過的事情?！?/p>

“蓋婭衛(wèi)星將觀測數(shù)十億計的恒星，生成大量的數(shù)據(jù)，”奎倫說。研究團(tuán)隊(duì)將根據(jù)這些數(shù)據(jù)對他們的模型進(jìn)行調(diào)整?！斑@將使我們更好地理解，為什么銀河系演化成了今天的形狀。”

奎倫解釋說，目前有不同的模型來模擬銀河系核球的形成。自形成以來，星系中心棒的運(yùn)動是否變慢了，變慢了多少？核球是突然向垂直方向隆起的，還是慢慢隆起的？天文學(xué)家對這些問題很感興趣。了解中心棒與核球中恒星的運(yùn)動方向和速度的分布，將有助于確定這個演化過程。“我的模型的一個預(yù)言是，在諧振區(qū)內(nèi)外，速度分布會有突然的變化?！笨鼈愓f，“在諧振區(qū)，即接近星系中心的地方，由于這里的星系盤面最終會向上隆起，恒星的垂直速度就要更大一些?！w婭’衛(wèi)星將測量恒星的運(yùn)動情況，我們可以在它的數(shù)據(jù)中看一看，是否存在模型所預(yù)言的速度分布?！?/p>

“在模擬軌道之前，我必須回答一個簡單的問題：星系中心區(qū)的物質(zhì)分布是怎樣的？”奎倫說。她的合作者桑吉卜·沙爾瑪（Sanjib Sharma）找到了距銀河系中心不同距離處圓軌道的軌道速度（即星系的“旋轉(zhuǎn)曲線”）。通過這一信息，奎倫計算出諧振區(qū)內(nèi)的物質(zhì)密度，這對她的模型是至關(guān)重要的。她同時參考了最新的有關(guān)中心棒（自轉(zhuǎn)）速度的模型，以對核球邊緣——距銀心3000多光年遠(yuǎn)，約是地球到銀心距離的1/8——處的物質(zhì)密度做出更精確的估計。

紅色標(biāo)記了新發(fā)現(xiàn)的H II區(qū)域。由于這些區(qū)域都位于在銀河盤面上，從地球上看去，它們幾乎嚴(yán)格地沿著銀河分布。[圖片來源：HRDS Survey Team, NRAO/AUI/NSF (radio); Axel Mellinger (optical)]

隨著蓋婭衛(wèi)星的發(fā)射，人們對銀河系結(jié)構(gòu)的研究在過去的幾年里又有了新興趣。不過，這一領(lǐng)域并不只有光學(xué)和紅外成像巡天。一直以來，射電望遠(yuǎn)鏡對我們認(rèn)識銀河系的結(jié)構(gòu)做出了重要的貢獻(xiàn)，現(xiàn)在，它們繼續(xù)提供為我們互補(bǔ)的、甚至是驚人的新視角。

2013年早些時候，天文學(xué)家在銀河系中發(fā)現(xiàn)了上百個之前不知道的大質(zhì)量恒星形成區(qū)，包括目前為止發(fā)現(xiàn)的同類天體中最遠(yuǎn)的一個。對這些天體的不斷研究將給出關(guān)于銀河系結(jié)構(gòu)和歷史的重要線索?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)的這些大質(zhì)量年輕恒星或星團(tuán)形成的區(qū)域稱為H II（電離氫）區(qū)，是研究銀河結(jié)構(gòu)的重要指示物。

“我們極大地改進(jìn)了對銀河系的巡天，這不僅幫助我們認(rèn)識銀河系現(xiàn)在的性質(zhì)，更是理解銀河系歷史的關(guān)鍵，比如歷史上銀河系可能和其他星系發(fā)生的合并事件。”美國波士頓大學(xué)的托馬斯·巴尼亞（Thomas Bania）說。巴尼亞和他的同事使用的數(shù)據(jù)來自綠岸射電望遠(yuǎn)鏡（GBT）和位于波多黎各的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，同時也結(jié)合了斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡和廣域紅外巡天探測衛(wèi)星（WISE）的數(shù)據(jù)。

成果始于一項(xiàng)GBT銀河巡天項(xiàng)目。由于在射電波段發(fā)出的輻射不會被銀河盤面上的塵埃吸收，天文學(xué)家經(jīng)常利用這個波段的輻射研究銀河系的結(jié)構(gòu)。在宇宙中，當(dāng)電離的氫原子（H II）重新獲得電子后，電子仍可能再向下發(fā)生躍遷，發(fā)出特定頻率的輻射，即“復(fù)合線”；如果這種復(fù)合輻射在射電波段，就稱為“射電復(fù)合線”。通過這種探測“射電復(fù)合線”的方法，GBT巡天把我們知道的H II區(qū)數(shù)量擴(kuò)大了好幾倍。研究小組用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)進(jìn)行這項(xiàng)工作，又發(fā)現(xiàn)了很多新目標(biāo)。

“GBT和阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的高敏感度，加上先進(jìn)的電子設(shè)備，使這項(xiàng)新巡天成為可能?！泵绹鴩疑潆娞煳呐_（NRAO）的達(dá)納·巴爾塞（Dana Balser）說。“WISE衛(wèi)星的數(shù)據(jù)提供了2000個新的H II區(qū)候選者，我們將用GBT對它們進(jìn)一步確認(rèn)?！泵绹鞲ゼ醽喆髮W(xué)的勞倫·安德森（Loren Anderson）說。

這項(xiàng)工作使天文學(xué)家對銀河系結(jié)構(gòu)的理解有了進(jìn)步。他們在一個尚未得到深入了解的旋臂和銀河系中心棒的末端發(fā)現(xiàn)了恒星形成的集中區(qū)?！癏 II區(qū)是銀河系旋臂結(jié)構(gòu)最好的指示物，這是改進(jìn)我們銀河系地圖的極好方法?！卑湍醽喺f。

這項(xiàng)巡天的另一個重點(diǎn)是研究銀河系中不同區(qū)域化學(xué)組成的差異。知道了不同區(qū)域重于氫的元素在豐度上的差異，我們可以追溯恒星形成的歷史，也可以猜想，哪些區(qū)域可能包含在歷史上通過星系合并進(jìn)入銀河系的物質(zhì)。

“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，恒星間這些稀薄的氣體并不如我們想的那樣混合得那么好。”巴爾塞說，“找到那些化學(xué)組成與周圍不同的區(qū)域，就能夠指出氣體云或者小星系是在哪里墜入銀河系的?！?/p>

“就像地質(zhì)學(xué)家到野外考察，繪制不同巖石的分布地圖，重建地球的歷史一樣，我們現(xiàn)在繪制銀河系的地圖，提高我們對銀河系結(jié)構(gòu)和歷史的理解。”巴尼亞說，“射電望遠(yuǎn)鏡就是我們繪制這些更好的新地圖的工具?！?/p>

盡管對于銀河系的研究有著悠久的歷史——從威廉·赫歇爾（William H e r s c h e l）和雅各布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn）的恒星計數(shù)到伊安·奧爾特（Jan Hendrik Oort）用射電望遠(yuǎn)鏡繪制中性氫分布圖——新設(shè)備和新方法不斷從新的角度揭示出銀河系的結(jié)構(gòu)。隨著2013年12月“蓋婭”衛(wèi)星的發(fā)射，這一領(lǐng)域的未來令人期待。讓我們?yōu)樗８０?，祝愿衛(wèi)星在今后的研究中大展身手！

超鏈接：

HII區(qū)

HII區(qū)是“電離氫區(qū)”的簡稱，指含有大量電離氫氣體的空間區(qū)域——那里的中性氫原子已經(jīng)分裂為構(gòu)成它們的核（即單個的質(zhì)子）和電子。由于電離原子帶正電荷，這種云有時也叫做H+區(qū)。

使這些云中的氫電離的能量來自鑲嵌在電離氫區(qū)中的高溫年輕恒星。這些恒星是由太空氣體云形成的，它們在波譜的紫外波段產(chǎn)生其光子能量足以將電子從原子剝離的強(qiáng)輻射。電離氫區(qū)本身大致呈球形，大小可達(dá)到200秒差距左右，其內(nèi)部的密度大約是中性氫區(qū)的1 000倍，溫度范圍約從1 000K到10 000K。

這些云中的高溫物質(zhì)在紅外、紫外和光學(xué)波段輻射，它們在天文照片上的影像色彩極為豐富——獵戶座星云就是這樣一個圍繞恒星育兒室的色彩鮮明的物質(zhì)云的典型例子。云中的自由電子也能輻射，那是它們與磁場相互作用時發(fā)出的射電波。

由于最大的電離氫區(qū)看來全部大小相同，所以已經(jīng)有人利用其他星系中電離氫區(qū)視大小的測量來估計星系的距離——電離氫區(qū)看起來越小，星系必定離我們越遠(yuǎn)。

（責(zé)任編輯 李鑒）