銀河系銀盤(pán)示意圖(圖片來(lái)自中科院國(guó)家天文臺(tái))

在很多人的想象中，宇宙中的星系像一個(gè)個(gè)很平的圓盤(pán)子。然而事實(shí)上，大量的觀測(cè)結(jié)果表明，很多巨大的星系盤(pán)會(huì)逐漸向上或向下卷起，形成“炸薯片”一樣的彎曲性狀，天文學(xué)家稱(chēng)這種現(xiàn)象為“翹曲”。大約有三分之一的河外盤(pán)星系都或多或少地展現(xiàn)出這種翹曲形狀。
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那么我們?nèi)祟?lèi)生存的銀河系是怎么樣的呢？我國(guó)天文學(xué)家的一項(xiàng)最新研究揭開(kāi)了這一謎題，他們的研究成果已于2019年2月5日由《自然-天文》雜志在線發(fā)布。
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中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)博士后陳孝鈿、研究員鄧?yán)畈?、劉超等?lián)合澳大利亞麥考瑞大學(xué)教授Richard de Grijs以及北京大學(xué)博士后王舒組成的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，首次發(fā)現(xiàn)銀河系恒星外盤(pán)具有驚人的翹曲結(jié)構(gòu)。
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此前早有射電觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，銀河系的氣體盤(pán)呈現(xiàn)出和很多河外星系一樣的翹曲結(jié)構(gòu)，但是關(guān)于恒星盤(pán)的形狀，卻一直缺少直接的證據(jù)。這是因?yàn)闇y(cè)量銀河系外盤(pán)的距離十分困難，只有測(cè)量出了準(zhǔn)確的距離，才能讓人們確信外盤(pán)的形狀。
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2018年，陳孝鈿等人發(fā)布了第一個(gè)紅外全天變星星表，其中包含了上千顆銀河系造父變星。正是這批像珍珠般寶貴的恒星指示出了銀河系年輕恒星盤(pán)的形狀的絕佳示蹤體。
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造父變星是一類(lèi)中等質(zhì)量的年輕脈動(dòng)變星，比太陽(yáng)重3～20倍，亮約幾萬(wàn)倍，其脈動(dòng)周期和光度嚴(yán)格相關(guān)。它們可以被用來(lái)精確測(cè)定距離，精度可達(dá)3～5%。1339顆造父變星，就像一顆顆明燈一樣，點(diǎn)亮了被宇宙塵埃籠罩的銀河。
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在宇宙三維空間，科研人員發(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)會(huì)朝上（北）卷起，右手邊的則相反。
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“出乎人們意料的是，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。更重要的是，這個(gè)翹曲的'S’形狀還存在著逐漸扭轉(zhuǎn)的螺旋樣式。”Richard de Grijs說(shuō)。
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科研人員還發(fā)現(xiàn)，從銀心向外翹曲呈現(xiàn)復(fù)雜的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。如果把銀盤(pán)看成是由很多同心環(huán)組成的，那么它在某一半徑處的圓環(huán)的東邊會(huì)翹起來(lái)一點(diǎn)，而它外面的圓環(huán)則在東偏南一點(diǎn)點(diǎn)翹起，再向外一環(huán)翹起的位置又偏向南一點(diǎn)。也就是說(shuō)，每個(gè)同心環(huán)翹起的位置是隨著半徑而有一個(gè)逐步偏移，這個(gè)現(xiàn)象就是進(jìn)動(dòng)。科研人員觀察到，外盤(pán)翹曲的進(jìn)動(dòng)在一個(gè)半徑范圍內(nèi)相比于銀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)要超前，又在另一個(gè)半徑范圍內(nèi)會(huì)落后。
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盡管翹曲現(xiàn)象在河外星系中經(jīng)常出現(xiàn)，但是對(duì)這種翹曲現(xiàn)象到底怎么形成？理論家們一直莫衷一是。劉超認(rèn)為，轉(zhuǎn)矩假說(shuō)可以解釋復(fù)雜的翹曲進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。“關(guān)于翹曲的成因，一種可能是由于外盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到了外力的作用，通俗地講，也就是它被'拽’扭曲了。”
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雖然還有很多難題待解，但銀河系恒星盤(pán)翹曲的發(fā)現(xiàn)更新了人類(lèi)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)。中科院國(guó)家天文臺(tái)恒星與恒星系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家鄧?yán)畈耪J(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)為人們最終理解銀河系這樣的巨大盤(pán)星系是如何形成和演化的提供了關(guān)鍵的線索。