“时光动画”：测出银河系暗物质晕形状

2024-07-18

<article><section data-type=“rtext”>◎本报记者李诏宇 仰望星空，人类心中涌动着的是对浩瀚宇宙的无限遐想。这份好奇心驱动人类在科学探索之路上前行，一步步由陆及海，自海上天，进入了广袤太空，并登上了月球…… 然而，知识的“圆”越大，未知就越多。银河系对人类来说仍然充满秘密，银河系暗物质晕的形状就是一个未解之谜。 近日，中国科学院大学、中国科学院国家天文台、北京大学和上海交通大学等高校院所的科研人员首创“时光动画”新方法，测出银河系暗物质晕形状为接近球形的扁椭球。相关研究论文在线发表于《自然·天文学》。 这意味着，离揭开谜底的那天又近了一步。“这一成果为研究银河系暗物质晕的演化提供了重要锚点。”论文共同第一作者和通讯作者，中国科学院大学副教授黄样对记者表示。 银河翘曲特征明显 对银河系的探索，远非始于今日。 在古人看来，银河系为条状。无论是我国古代的“河汉清且浅，相去复几许”，还是古希腊神话中的“乳之路”，古人大都将银河系比作一条河或路。 “如今看来，古人描述的是银道带，并非银河系全部，而是其组成部分之一。”论文共同第一作者、北京大学物理学院天文学系博士研究生冯齐康说，在北半天球，银河勾画出一条宽窄不一的带，就是银道带。 随着天文学深入发展，人们逐渐意识到，银河系之广袤，远不止于一条“河”。现代天文学通常认为，作为盘状星系的银河系，自内向外分别由银心、银核、银盘、银晕和银冕组成。银盘上可能存在英仙臂、猎户臂、船底—人马臂、矩尺臂和盾牌—半人马臂等多条主旋臂。 “人类所在的太阳系，正位于其中的猎户臂上的边缘位置，距银河系中心约2.64万光年。”冯齐康说，“从位置看，是不折不扣的‘远郊区’。” 太阳所处的银盘并非一个完美的盘状，而是在大尺度上呈现出S形的翘曲形状。 何为翘曲？黄样介绍，翘曲一词的原意是指塑件等工业构件在加工过程中发生的不均匀收缩和扭曲。在天文学意义上，翘曲是指盘状星系在垂直于盘平面方向上出现的扭曲或变形。“形象地说，盘面不再是简单的平面结构，而是在外部区域逐渐翘起或下落，形成S形或U形结构，类似于炸薯片的形状。银河系作为典型的盘状星系，表现出十分明显的翘曲特征。”黄样说，“翘曲是此次研究的主要对象之一。” 造父变星成为“尺子” 谈到翘曲，绕不开一个问题：它是如何形成的？ “翘曲的形成原因，目前还没有定论。一些科学家认为，它可能起源于三轴暗物质晕、银河系卫星星系或大尺度内落物质等产生的力矩等原因。”黄样说。 不管成因如何，以整个银河系为跨度的翘曲，显然不是短时间就能形成的。银河系翘曲的进动和演化过程，是许多研究人员关注的话题。 所谓进动，指的是一个自转的刚体在外力作用下，其自转轴绕某一中心旋转的现象。“好比将一个自行车轮插在水平的转轴上，再将转轴横向放入垂直的竖直杆。在这种情况下，转动自行车轮的同时，水平转轴也会绕竖直杆转动。”冯齐康介绍，“这就是进动的一个简化版本。” 过去，科研人员往往采用运动学方法测量翘曲进动，也就是利用盘面恒星的速度场分布来限制翘曲的进动方向和大小。黄样解释说，这种方法存在一定误差或偏离，因为不同恒星星族会受到不同程度的扰动或加热效应影响，无法测量出翘曲进动的可靠数据。 面对这种情况，研究团队决定，“请”一类特殊恒星——造父变星出马解决难题。 造父变星的特殊之处在于，其亮度会发生周期性变化。“因其周期性，我们可以把造父变星当作测量天体距离的‘标准烛光’，用以精确测量天体间的距离。造父变星的年龄也与其周期性相关，因此我们还可以测量其准确的年龄信息。”黄样说。 通过比较不同造父变星的光度、年龄和亮度变化周期，研究人员可以建立“光度/年龄—周期关系”。利用这种关系，就能轻易推算出这些天体的年龄以及与地球的距离。“可以说，造父变星正是我们研究用到的‘尺子’和‘时钟’。”黄样说。 用“电影”看银盘结构 这次研究人员测量的暗物质晕，指的是由暗物质组成的一种庞大结构。暗物质被比作笼罩在21世纪物理学天空中的“两朵乌云”之一，它被引力定律证实存在，却从未被直接观测到。“按照当前理论，暗物质可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种已知物质，是一种‘看不见’‘摸不着’的奇妙物质。”冯齐康说。 大多数星系都镶嵌在暗物质晕中，星系系统的动力学也主要由暗物质的分布主导。研究银河系暗物质晕的形状，对更好理解银河系具有重要意义。 工欲善其事，必先利其器。在此次测量银河系暗物质晕形状的研究中，研究团队用到的“器”，是欧洲航天局研制并发射的盖亚卫星和我国的郭守敬望远镜。 有“器”，也要有“术”。“时光动画”方法，就是研究团队用到的“术”。“简单来说，‘时光动画’方法，就是利用不同年龄星族的造父变星，以播放电影的方式，让我们看清银盘翘曲是如何演化和进动的。”黄样说。 黄样介绍，研究团队将盖亚卫星发现的2600颗造父变星作为银河系翘曲的示踪天体，并结合郭守敬望远镜的数据，测量这些造父变星的年龄及其与地球的距离。“在此基础上，我们运用‘时光动画’方法，将距今2.5亿年间不同年龄切片的银盘三维结构像动画片一样重叠起来。”黄样说。 随后，研究团队像播放动画片一样，将不同年龄切片的银盘三维结构进行对比，研究银盘翘曲如何随着时间推进而演化。“经过复杂的研究与计算，我们发现银河系银盘的翘曲沿着逆太阳旋转方向以每百万年0.12度的速率进动。而且，随着造父变星样本离银心距离增加，翘曲的进动速率逐渐减小。”黄样说，“无论翘曲如何起源，其进动速率和方向均由银河系内盘与暗物质晕共同决定。” 进一步的研究表明，在扣除银河系内盘的贡献后，当前包裹翘曲的银河系暗物质晕呈现出略微偏离球形的扁椭球形状。“这与我们的预期相符。目前来说，只有这种形状能解释翘曲的剩余进动幅度。”黄样分析说。 有论文审稿人评价说，“时光动画”方法是“一项新颖且深具说服力的方法”。“下一步，我们会继续优化这种方法。”黄样说。</section></article>