“本星系群”的新发现

□ 文 何锐思（Richard de Grijs） / 翻译 程思淼

“本星系群”的新发现

□ 文 何锐思（Richard de Grijs） / 翻译 程思淼

何锐思（Richard de Grijs）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）教授，国际天文学联合会天文发展办公室东亚分站负责人。

美国天文学会（AAS）在每年1月份举行冬季年会，我是《天体物理通讯》（The Astrophysical Journal Letters）的副主编，而《天体物理通讯》是隶属于美国天文学会的一本专业天文学期刊，因此参加这个年会也是我的工作之一。除了3年1届的国际天文学联合会（IAU）例行会议，美国天文学会的冬季年会算是全世界天文学家最大规模的会议，有来自天文学各分支领域的超过3000名天文学家参加。

今年年会在西雅图召开，我主持了“有新恒星形成的星系”的会议，还参加了一些与“本星系群”星系结构有关的会议。本星系群由银河系、仙女星系（M31）、三角星系（M33）、大/小麦哲伦星系和诸多矮星系组成。考虑到实际研究中的便利性，往往还将距离银河系和仙女星系100万秒差距（约300万光年）以内的星系都包括在内。这次会议上听到的许多新进展都非常激动人心，因此我将在本期的“天文视点”中介绍其中的一些重点。

图1仙女星系的局部鸟瞰图。这是目前我们获得的邻近星系最清晰的图像。[来源：N A S A, E S A, J. D a l c a n t o n, B.F. Wi l l i a ms, a n dL.C. J o h n s o n (U n i v e r s i t y o f Wa s h i n g t o n), t h e P H A T t e a m, a n d R. Ge n d l e r]

有关仙女星系的令人兴奋不已的成果之一，是“哈勃多色仙女座宝藏”（P a n c h r o m a t i c H u b b l e A n d r o m e d a T r e a s u r y，P H A T）项目利用哈勃空间望远镜（H S T）所摄照片拼接出的有史以来最大的星系图片。这张仙女星系部分区域的大范围鸟瞰图（图1），是我们目前获得的近邻星系的最清晰拼接图。尽管仙女星系距我们超过250万光年远，哈勃空间望远镜强大的威力却足以分辨出它盘面上长达61000光年的一段范围里的每一颗恒星。在这广阔的视野里有着超过1亿颗恒星，其中一些分布于盘面上数以千计的星团中。这就好比拍下一张海滩照片的同时，还能分解出沙滩上的每一粒沙。

这项雄心勃勃“测绘”仙女星系的工作是研究大型旋涡星系的里程碑。旋涡星系在宇宙中的数量超过1000亿个，宇宙中的大多数恒星都位于这种巨型的结构当中。以前天文学家们从未能如此大范围地观察河外旋涡星系中的恒星，这也是第一张同时展现整个星系和其中恒星的照片。

哈勃空间望远镜从照片左边的星系核出发——密集的星点从这里向外延伸开去。接着，镜头离开星系的核球，沿着布满恒星和尘埃云的径线一直移动到星点稀疏的盘面外侧。大量的年轻蓝色恒星标示着星团和恒星形成区。图1中右侧蓝色的环状结构即是它们聚集的地方。暗色的轮廓则能勾勒出尘埃云的复杂结构。在这些光鲜复杂的结构下面，是分布在整个星系中冷而红的恒星，它们见证了星系数十亿年来的演化。

由于仙女星系距地球只有250万光年远，它看上去要比哈勃空间望远镜通常拍摄的数十亿光年远的星系大得多。哈勃空间望远镜对411个天区进行了总共7398次曝光才得以拼接出这幅完整的图像。展示这幅图像的天文学家告诉我们，如果想在电视屏幕上全分辨率地显示这张图像，需要动用超过5000台宽屏高分辨率显示器。

我在会议上听到的第二个重要的进展是有关仙女星系盘面上恒星运动的精细研究。研究者们发现它们与银河系中恒星的运动大不相同，这说明仙女星系在不远的过去曾和一个小星系碰撞融合。

旋涡星系盘面上恒星的运动与结构是了解星系形成历史的关键线索。“仙女星系给我们提供了同时从局部和整体观察一个星系的机会。我们了解银河系的很多细节，但没有办法从整体上研究它。”美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学与天体物理学教授普拉格拉•古哈塔库尔塔（P u r a g r a G u h a t h a k u r t a）说。

古哈塔库尔塔的学生克莱尔•道尔曼（C l a i r e D o r m a n）利用仙女星系两个巡天项目的数据进行了研究，其一来自位于夏威夷的凯克天文台，另一个则来自哈勃空间望远镜。“仙女星系恒星晕光谱和测光巡天”（S p e c t r o s c o p i c a n d P h o t o m e t r i c L a n d s c a p e o f A n d r o m e d a’s S t e l l a r H a l o , S P L A S H）使用凯克天文台D E I M O S多目标光谱仪测量了仙女星系中超过10000颗亮星的视向速度。近期完成的P H A T巡天则提供了这些恒星中半数以上的在六个波段的高分辨率成像数据。

图2 哈勃空间望远镜拍摄的仙女星系盘面的密集星场。不同年龄的恒星表面温度不同，因而呈现出不同的颜色和光度。[来源：B e n Wi l l i a ms, P H A T c o l l a b o r a t i o n]

道尔曼在她的发言中说：“哈勃空间望远镜的高分辨率让我们能分解开仙女星系盘面上密集的恒星，而宽波长覆盖则让我们能将它们按年龄分类。”她的研究显示，仙女星系盘面上年轻、中年和老年恒星的运动速度存在差异。这也是首次对河外星系做这样的测量。

道尔曼的分析还显示出另一个趋势：最年轻的恒星绕星系中心的运动相对规则，老年恒星的运动则非常不规则。所有“规则运动”的恒星都以几乎相同的速度运动，“不规则运动”的恒星速度的分布则较弥散，同时空间分布范围也更大。道尔曼解释说：“假如星系是侧面朝向我们的，‘规则运动’的恒星会都分布在很窄的一条线上，‘不规则运动’的恒星则分布在很厚的一层上。”

研究者提出了两种版本的星系盘面形成与演化过程以解释他们的观测。第一种解释认为，由于与伴星系发生过融合，所以原本“规则运动”的盘面曾受到持续的扰动。之前对仙女星系晕中潮汐星流（t i d a l s t r e a m）的研究证实了它与矮星系发生过融合的历史，这种潮汐星流即是那个矮星系的残骸。道尔曼说，虽然矮星系中的恒星也会加入到星系盘面上，从而影响盘面上的速度分布，但单靠这一点还无法解释恒星的速度弥散随年龄的增长。

第二种解释认为，恒星盘起源于原本很厚且成块状的气体盘，最年老的恒星形成于气体盘仍很疏松且不规则的时期，随着时间推移，气体盘渐渐变薄定型，运动也变得规则。最年轻的恒星就形成于这种规则的盘面上。

道尔曼认为同时考虑两种机制可以解释观测结果。她说：“我们的发现将会激励理论研究者针对这两种解释进行更细致的计算机模拟。”与我们银河系明显不同的恒星运动情况，说明仙女星系在近期有过激烈的融合历史。道尔曼说：“即使是仙女星系中最‘守序’的恒星也没有银河系盘面上的来得‘规矩’。”

图3 图中的圆点标识了M31中一些光谱巡天目标星的位置。圆点的颜色对应于这些恒星相对银河系的视向速度（正值表示远离，负值表示靠近），由凯克I I望远镜的D E I MOS光谱仪测得。M31的中心大约以300千米/秒的速度向我们运动，而东北方（图中左上）的恒星向我们运动的速度比较小，说明这些恒星相对M31的中心具有远离我们方向的速度。[来源：C l a i r e D o r ma n, E u r o p e a n S p a c e A g e n c y]

根据最近流行的宇宙结构的形成理论，像仙女星系和银河系这样的大星系是依靠“吞噬”小的伴星系，吸积它们的恒星和气体而成长起来的。宇宙学家估计在10000年内有70%像仙女星系和银河系般大小的星系盘曾与较大的伴星系有过交融。银河系的盘面有点太“守序”了，仙女星系的情况则和理论预期差不多。古哈塔库尔塔教授说，“这样看来，反倒是仙女星系盘面上的恒星更正常，银河系或许单纯是个具有异常平静吸积历史的个案。”

图4 S MA S H暗能量照相机拍摄的小麦哲伦星系图像（红框内）。左边给出了作为参考的月亮大小。

图5 位于智利托洛洛山美洲天文台的4米望远镜以及暗能量照相机

我还非常高兴听到了有关大、小麦哲伦星系研究的新进展。大、小麦哲伦星系是我们银河系的两个最亮的伴星系，由于个人的研究兴趣，我对它们很有好感。新的研究表明，它们不仅比天文学家原先所计算的要大很多，而且在其边缘还有着非均匀的结构，这可能是在形成和演化的过程中留下的丰富而复杂的尘埃区。这是“麦哲伦恒星巡天”（S u r v e y o f t h e M a g e l l a n i c S t e l l a r H i s t o r y, S M A S H）项目的初步成果，主要由一个国际天文学家团队使用多台望远镜进行观测——包括位于智利的托洛洛山美洲天文台（C e r r o T o l o l o I n t e r-A m e r i c a n O b s e r v a t o r y, C T I O）的4米“布兰科”（B l a n c o）望远镜。

大、小麦哲伦星系是南半天球的标志。尽管是以探险家费迪南•麦哲伦的名字命名（他让欧洲人知道了这两个天体），但它们其实早就为南半球各文明所熟知。大麦哲伦星系（L M C）横跨5度的天区，相当于十个月亮的直径，在肉眼看来就像是一截“脱落”下来的银河。它离我们16万光年远，星系中最亮的恒星也必须要用望远镜才能看到。

正如首席研究员、美国密歇根大学的大卫•尼德佛（D a v i d N i d e v e r）所说：“我们对银河系这样的大星系的形成已经有了较好的认识，但宇宙中大多数星系都是又暗又小的矮星系。大、小麦哲伦星系是离我们最近的矮星系之一，S M A S H项目可以勾勒出它们的轮廓并帮助我们研究其具体结构，这是之前从未有过的事。”

美国国家光学天文台的克努特•奥尔森（K n u t O l s e n）说：“我们从S M A S H的早期工作中了解到，大麦哲伦星系要比我们以前所认为的大得多；而这些（早期）工作才只探测了全部目标天区的1%。S M A S H正在探测一个20倍大的天区并证实大麦哲伦星系的大小，同时也让我们有机会仔细地绘制出它的结构。”克努特•奥尔森是S M A S H团队的领导者之一，他的团队在距大麦哲伦星系角距离20度（实际距离5.5万光年）的地方找到了属于大麦哲伦星系的恒星。他们借助装在C T I O“布兰科”望远镜上的新相机——“暗能量照相机”（D E C a m）——使S M A S H项目得以在更广阔的视野中鉴定暗星。

用“布兰科”望远镜可以探测到非常弥散的星际结构，暗至银河最暗淡部分的40万分之一。这正是依靠了D E C a m相机在大范围天区中辨别暗弱恒星的能力。这让科学家们可以探测到原来无法看到的暗弱结构。

S M A S H团队同时还在寻找“麦哲伦流”：一个连接大、小麦哲伦星系并向前后继续延伸的气体结构。“麦哲伦流”在30年前首次被射电望远镜探测到，非常清楚地展现了两个星系的相互作用以及它们和银河系的关联。天文学家长期以来希望能发现“星流”中的恒星但一直无果。这很可能是因为其中的恒星都太过暗淡，除非使用更好的相机，否则很难探测到。大卫•尼德伏说：“S M A S H发掘超暗结构的能力不仅让我们能找到‘麦哲伦流’中的恒星，还能绘出星流的结构，从而大大增加我们对大、小麦哲伦星系间相互作用过程的理解。”

图6 C T I O B l a n c o望远镜和它背后的星空。星空由可见光和射电波段的照片叠加而成。蓝色和紫色的云气是氢云，它连接了小麦哲伦星系（图片右上）和大麦哲伦星系（图片右中），并且继续延伸，横贯天空。绿色圆圈显示了S MA S H巡天项目的D E C a m指向，在这些位置都发现了大、小麦哲伦星系中的恒星。[来源：K. O l s e n (N O A O/A U R A/N S F), S MA S H t e a m, R o g e r S mi t h, a n d N. Mc C l u r e-G r i f f i t h s]

图72014 年，光学引力透镜实验（OGL E）项目组的波兰天文学家发现了一条连通两个麦哲伦星系的年轻恒星桥。（左为小麦哲伦星系，右为大麦哲伦星系。）

最后，2015年的1月份还见证了我们理解银河系结构的一大进步。这项工作是由中国天文学家做出的。我们太阳系位于银河系之中，因此如何了解银河系的全貌就成了很困难的问题。事实上直到1852年，银河系的旋涡结构才被天文学家斯蒂芬•亚历山大（S t e p h e n A l e x a n d e r）提出。自此之后，无数新发现涌现，改变着我们对它的认识。

数十年以来天文学家都认为银河系有四条从中心向外围延伸、由恒星和形成恒星的星云构成的螺旋状旋臂。在2008年，斯皮策空间望远镜（S p i t z e r S p a c e T e l e s c o p e）的数据似乎表明银河系只有两条旋臂，还有一个大得多的中央棒状结构。这次，中国的科学家发现银河系的一条旋臂延伸到了远超过预期的地方，几乎绕了银河系一圈。这条被称为“盾牌-半人马臂”的旋臂从核棒的一端发出，从我们太阳系和银心之间穿过，延展到星系的对面。几十年来那里都一直被认为是这条旋臂的终点。

然而2011年的时候，美国哈佛-史密森天体物理中心的托马斯•达姆（T h o m a s D a m e）和帕特里克•萨迪厄斯（P a t r i c k T h a d d e u s）在银心对面稍远的地方发现了似乎属于该旋臂的部分。但根据中国紫金山天文台天文学家孙燕和其同事的说法，“盾牌-半人马臂”还要延伸到更远。他们使用了一种新方法研究距银心46000～67000光年远的气体云，并探测到了48个新的和24个以前曾被观测到的星际气体云。

孙燕和同事们借助射电望远镜的资料进行研究。资料来自紫金山天文台“银河画卷”巡天计划，该计划捕捉星际尘云中一氧化碳的射电辐射。一氧化碳是星际空间中丰度仅次于氢的物质，却比氢更容易为射电望远镜所观测到。将这些数据和加拿大的“银河盘面巡天”（C a n a d i a n G a l a c t i c P l a n e S u r v e y）项目的氢云数据结合，中国天文学家分析后认为这72个星际尘云排列在一段30000光年长的旋臂区域上。最新的报告中讲到，“这段新的旋臂似乎是达姆和萨迪厄斯最近发现的遥远旋臂以及我们熟知的‘盾牌-半人马臂’在第二象限（银经90°～180°区域）的延伸。”

图8 环绕银河近半周的巨大气体流：麦哲伦流。上为全景图，下为局部特写。[来源：上图（可见光与射电）：D a v i d L. N i d e v e r, e t a l., N R A O/A U I/N S F a n d A. Me l l i n g e r, L A B S u r v e y, P a r k e s O b s e r v a t o r y, We s t e r b o r k O b s e r v a t o r y, a n d A r e c i b o O b s e r v a t o r y；下图（射电）：L A B S u r v e y]

这就意味着盾牌-半人马臂不单是银河系中最大的旋臂，而且是唯一一条真正环绕星系360°的旋臂。这种情况，我们在附近的其他旋涡星系中还都不曾发现。《科学美国人》（S c i e n t i f i c A m e r i c a n）杂志引用托马斯•达姆的话说：“这真是罕见。我敢打赌，你得看上几十张旋涡星系的正面照，才能找到一个像这样环绕360°的情况。”

当然，这个看法也还有一些问题。其中一个是，达姆和萨迪厄斯在2011年发现的结束点与中国研究团队发现的旋臂的起始点之间，还有长达40000光年的空档有待填补。因此，孙燕和同事们发现的可能并不是盾牌-半人马旋臂，而是另一个新旋臂的一部分。如果是这样，那就是说我们的银河系有不止一个“外”旋臂（并非从核心发出的旋臂）。不过也有可能，后续的研究填补了这一空白，那么就证明银河系的大部分旋臂还是与核球相连的，我们的银河系从远处看上去，也还是和我们看到的遥远的“标准”旋涡星系一样漂亮。

图9 艺术家绘制的、从北银极向南看去的银河系想象图。[来源：N A S A/ J P L-C a l t e c h/R. H u r t]

图10 这幅银河系的示意图显示了盾牌-半人马旋臂可能的延伸情况。[来源：Y a n S u n/T h e A s t r o p h y s i c a l J o u r n a l L e t t e r s/ R o b e r t H u r t. N A S A/J P L-C a l t e c h/S S C]