科技日?qǐng)?bào)實(shí)習(xí)記者 代小佩

北京時(shí)間5日凌晨，正逢跨年時(shí)刻，國(guó)際科學(xué)期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）在線發(fā)布一項(xiàng)重大研究成果，我國(guó)天文學(xué)家首次通過(guò)恒星的觀測(cè)向人類(lèi)展示銀河系外盤(pán)驚人的翹曲結(jié)構(gòu)。該成果更新了人們對(duì)銀河系形狀的認(rèn)知，在為人們最終理解像銀河系這樣的巨大盤(pán)星系如何形成和演化提供了關(guān)鍵線索。

“在沒(méi)有獲取豐富數(shù)據(jù)前，銀河系的恒星盤(pán)看起來(lái)似乎是一個(gè)總體上平坦的圓盤(pán)，但實(shí)際并非如此。理論上，星系盤(pán)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)?！鄙鲜鲅芯空撐牡穆?lián)合通訊作者、國(guó)家天文臺(tái)恒星與恒星系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家、西華師范大學(xué)天文系主任鄧?yán)畈沤邮芸萍既請(qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說(shuō)，在外盤(pán)處，巨大的星系盤(pán)會(huì)逐漸向上或向下卷起，整體形成一個(gè)接近炸薯片一樣的彎曲狀態(tài)。天文學(xué)家稱(chēng)這種形狀為星系盤(pán)“翹曲”，這種結(jié)構(gòu)可以在側(cè)向的河外盤(pán)星系上直接看到。

但由于人類(lèi)本身處于銀河系的恒星盤(pán)上，研究銀河系恒星盤(pán)的結(jié)構(gòu)就變得相當(dāng)困難。這就是“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”。

不過(guò)，大量觀測(cè)表明，大約三分之一的河外盤(pán)星系都或多或少展現(xiàn)出翹曲形狀。科家們據(jù)此猜測(cè)，銀河系是否也如此呢？

實(shí)際上，很早就有射電觀測(cè)發(fā)現(xiàn)銀河系的氣體盤(pán)呈現(xiàn)出翹曲結(jié)構(gòu)。銀河系的恒星盤(pán)跟氣體盤(pán)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，也呈現(xiàn)出翹曲結(jié)構(gòu)嗎？“因?yàn)闅怏w與恒星都受到同一引力場(chǎng)控制，理應(yīng)顯示同樣的翹曲結(jié)構(gòu)，但關(guān)于恒星盤(pán)的形狀一直缺少直接的證據(jù)?！编?yán)畈耪f(shuō)。

“這是因?yàn)?，?zhǔn)確知道銀河系外盤(pán)的距離才能確定外盤(pán)的形狀，但銀河系外盤(pán)的距離很大，測(cè)量起來(lái)十分困難，它需要精準(zhǔn)且足夠明亮的標(biāo)準(zhǔn)示蹤恒星?！鄙鲜鲅芯空撐牡牡谝蛔髡摺?guó)家天文臺(tái)陳孝鈿博士表示，造父變星是此次研究取得突破的關(guān)鍵所在，它幫助天文學(xué)家有效測(cè)量銀河系外盤(pán)的距離。

“造父變星是一類(lèi)中等質(zhì)量的年輕脈動(dòng)變星，與太陽(yáng)相比，造父變星重3-20倍，亮約9幾萬(wàn)倍。由于它們的脈動(dòng)周期與光度嚴(yán)格相關(guān)，因此可以用于精確測(cè)定距離，精度可達(dá)到3%-5%?！标愋⑩毥忉尩?。

在進(jìn)行上述研究工作之前，陳孝鈿領(lǐng)銜發(fā)布了第一個(gè)紅外全天變星星表，這張表包括34769顆新發(fā)現(xiàn)的變星，其中有1312顆為銀河系造父變星，超過(guò)了過(guò)去100年間天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的銀河系造父變星總和，為成功揭開(kāi)銀河系銀盤(pán)的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)埋下伏筆。“這批像珍珠般寶貴的恒星正是指示銀河系年輕恒星盤(pán)的形狀的絕佳示蹤體?！标愋⑩氄f(shuō)。

“塵埃消光是測(cè)量銀河系銀盤(pán)恒星距離的最大障礙。如同霧霾一樣的星際塵埃使得測(cè)量恒星的距離變得十分困難，尤其是在傳統(tǒng)的光學(xué)波段。但紅外多窗口研究可以大大緩解這一困難。我們此次的成功得益于我們團(tuán)組在消光規(guī)律研究上的經(jīng)驗(yàn)?！鄙鲜鲅芯空撐牡穆?lián)合通訊作者、北京大學(xué)的王舒博士解釋道。

陳孝鈿告訴記者，本次研究的整體樣本有2330顆銀河系造父變星，包括紅外發(fā)現(xiàn)的1312顆和其他星表搜集到的。“我們精選了樣本中的1339顆。它們猶如明燈一樣點(diǎn)亮了被‘煙霧’籠罩的銀河?！?/p>

陳孝鈿于2016年加入國(guó)家天文臺(tái)“恒星與恒星系統(tǒng)團(tuán)組”，該團(tuán)隊(duì)的主要工作方向是銀河系研究，團(tuán)隊(duì)人員還包括國(guó)家天文臺(tái)研究員劉超、澳大利亞麥考瑞大學(xué)理查德·迪何銳思教授以及北京大學(xué)王舒博士，他們長(zhǎng)期鉆研銀河系結(jié)構(gòu)和恒星時(shí)域問(wèn)題。

從三維空間分布圖中，陳孝鈿與團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)距離銀河系中心越遠(yuǎn)，這些造父變星就越偏離銀盤(pán)面，整體呈“S”型；如果面向銀心并讓北銀極朝上，那么左手邊的銀盤(pán)就會(huì)朝上（北）卷起，右手邊的則相反。不僅如此，他們還發(fā)現(xiàn)，從銀心向外翹曲呈現(xiàn)復(fù)雜的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。

“結(jié)果顯示，造父變星的恒星盤(pán)結(jié)構(gòu)和銀河系氣體盤(pán)的結(jié)構(gòu)非常一致。而更重要的是，這個(gè)翹曲的‘S’形狀還存在逐漸扭轉(zhuǎn)的螺旋樣式?！闭撐牡暮献髡呃聿榈?迪何銳思教授指出。

盡管翹曲現(xiàn)象在河外星系中經(jīng)常出現(xiàn)，但理論家們對(duì)它如何形成的說(shuō)法莫衷一是。一種可能的解釋是外盤(pán)受到某種轉(zhuǎn)矩作用而形成?！稗D(zhuǎn)矩假說(shuō)可以解釋復(fù)雜的翹曲進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，我們的觀測(cè)結(jié)果傾向外盤(pán)的形成是由巨大的內(nèi)盤(pán)轉(zhuǎn)矩主導(dǎo)的。在盤(pán)的動(dòng)力學(xué)研究上，我們的成果意義重大！”論文的合作者劉超表示。

“銀河系盤(pán)的翹曲通過(guò)恒星觀測(cè)結(jié)果被證實(shí)，這首先更新了人們對(duì)銀河系形狀的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)外盤(pán)起源提供了決定性的觀測(cè)證據(jù)，為我們最終理解像銀河系這樣的巨大盤(pán)星系如何形成和演化提供關(guān)鍵線索?！编?yán)畈排d奮地說(shuō)道。

圖片由受訪者提供