我国学者在银河系结构研究方面取得新进展
日期 2020-08-19  来源:数理科学部  作者:刘强 郑兴武

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图1. 银河系结构图

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图2.《科学美国人》封面文章

      在国家自然科学基金项目(批准号:18670617、19273007、19673006、10073004、10133020、10673024、11073054、11133008)资助下,南京大学郑兴武教授团队和国内外同行合作,对位于银河系旋臂上多个甲醇和水分子脉泽(一种宇宙激光源)进行长期观测和潜心研究。通过参加重大国际科学计划,绘制出迄今为止旋臂位置最精确的银河系结构图,清晰地展示了银河系是一个具有四条旋臂的棒旋星系,回答了银河系究竟有几条旋臂这个天文学中长期争论而未解决的重大科学问题。美国哈佛-斯密松天体物理中心资深天文学家、美国科学院院士马克·里德(Mark Reid)和南京大学郑兴武教授合作,以“银河系新视野(New View of the Milky Way)”为题,将该银河系结构图刊登在著名杂志《科学美国人》(Scientific American)上,基于它对银河系旋臂结构有颠覆性认识,该文章成为该刊今年4月的封面导读文章。文章链接:https://www.scientificamerican.com/magazine/sa/2020/04-01/。

  银河系结构是天文学中长期没有解决的重大问题之一,主要原因是银河系直径估计大小约在10至18万光年,我们居住的太阳系离银河系中心很远,且位置接近银道面,我们所看到的旋臂,它们都重叠投影在天球上,从而无法分辨。我们又无法离开银河系,到几百万光年以外的宇宙空间来回眸银河系,这恰如“不知庐山真面目,只缘身在此山中”。但如果能精确地测定旋臂上足够多的天体到太阳的相对距离,即便我们在银河系的内部,也完全能从内到外勾画出银河系的旋臂结构。

  由于银盘上有浓密的尘埃气体,使得位于银河系旋臂上的光学辐射受到非常严重的消光,随着上世纪50年代射电和红外天文的发展,银河系结构的研究取得了非常大的进展。天文学家用射电和红外望远镜发现,银河系旋臂上的大质量恒星形成区的天体,除了有光学发射的天体之外,还有更多的不可见射电和红外年轻天体,以及孕育它们的巨分子云、分子气体和尘埃,都可以作为银河系结构的示踪天体。更重要的是它们的射电和红外电磁辐射能穿透银道面上浓密的尘埃,使我们几乎能看到银河系边缘的这些源。

  经近半个世纪的观测和研究,天文学家普遍认为银河系是一个棒旋星系。然而,由于不能直接测定大质量恒星形成区中年轻天体的距离,银河系结构的最基本的问题没有解决,如银河系究竟有几条旋臂、太阳在银河系中的精确位置和运动。

  郑兴武教授团队开始以脉泽为观测目标,用高分辨率甚长基线干涉仪(VLBI)开展大质量恒星形成区中磁场分布和大质量分子云核旋转及塌缩的研究。2003年,南京大学天文与空间科学学院徐烨博士、郑兴武教授、美国天文学家马克·里德和德国马普射电天文研究所卡尔·门滕(Karl Menten)教授合作,首次提出利用甚长基线干涉仪相位参考技术,精确测量英仙臂大质量恒星形成区W3OH中甲醇(CH3OH)脉泽的三角视差和自行,获得出乎意料的成功。从三角视差测量获得该大质量恒星形成区的距离为6360±40光年,测量精度高达2%,达到有史以来天文学中对如此遥远的天体精度最高的距离测量。从脉泽的自行和视向速度测量,可以获得这个大质量恒星形成区在银河系里的三维运动,研究银河系旋臂的运动学性质。这项工作的完成预示了直接测量银河系旋臂结构和运动的可能性。基于该研究成果的重要性,《科学》(Nature)杂志在2006年1月刊载了封面导读论文“银河系英仙座旋避的距离(The Distance to the Perseus Spiral Arm in the Milky Way)”。这是中国天文学家的论文第一次成为《科学》杂志的封面导读文章。

  之后,中国天文学家作为主要成员提出并参加了美国国立射电天文台甚长基线阵(Very Lone Baseline Array,简称VLBA)的“银河系棒和旋臂结构巡珍重大科学计划’(The Bar and Spiral Structure Legacy Survey)”,英文简称BeSSeL,中文简称贝塞尔)的前导实验观测,其前导研究成果最终促成了该国际天体测量重大科学计划的形成。

  BeSSeL项目由美国、德国和中国为主导,共8个国家22位天文学家组成,美国马克.里德博士为项目组组长(PI)、德国门滕教授和中国的郑兴武教授为副组长(CO-PI)。国际贝塞尔团队用等效口径大小为8000多公里的甚长基线干涉阵和几何三角视差方法,直接测量大质量恒星形成区中脉泽的距离和自行。由于脉泽源是一种亮温度超过亿度,甚至万亿度的宇宙激光点源,其电磁辐射能穿透银盘中浓密的尘埃气体,使我们有可能探索银河系边缘的大质量恒星形成区。在里德博士项目组长的有效组织下,到2019年底,国际贝塞尔项目组共测量了位于银河系旋臂上的163个脉泽源,中国的天文学家观测测量了85个源,占一半的工作量。国际贝塞尔项目组在国际知名的天文和天体物理刊物上共发表了35篇论文,其中,中国的天文学家发表了16篇论文。通过参加该重大国际科学计划,助推了我国甚长基线天体测量学科的发展,培养了年轻天文学家,使他们熟练地掌握精密VLBI天体测量理论、技术和方法,他们的理论素养和成果位居国际甚长基线天体测量学科的前列。

  四条旋臂结构图是迄今为止旋臂位置最精确的银河系结构图,它彻底解决了银河系究竟有几条旋臂这一重大科学问题,清晰地展示了银河系是四条旋臂的棒旋星系。中国天文学家的工作对绘制该结构图做出了至关重要的贡献。