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（銀河系河外視角想象圖，來源：云南大學(xué)中國西南天文研究所）
銀河系比我們原先以為的更大，恒星分布也沒有那么密集，這顛覆了我們對銀河系結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。
今年（2024年）7月，中國科學(xué)家利用斯隆數(shù)字巡天中的近紅外恒星光譜巡天數(shù)據(jù)，首次重構(gòu)了銀河系從內(nèi)到外的恒星徑向密度分布，并發(fā)現(xiàn)銀河系的規(guī)模比此前預(yù)想的要大，外盤和內(nèi)盤的恒星分布也明顯不同。這可能需要我們對銀河系的演化給出新解釋。
我們知道，太陽所在的星系被稱為銀河系，它是一個典型的旋渦星系。銀河系的主要組成部分包括核球、銀盤和銀暈。核球位于銀河系的中心區(qū)域，富含老年恒星和致密天體，目前普遍認(rèn)為其中包含一個超大質(zhì)量黑洞，這個區(qū)域我們通常稱為銀心。銀盤則是銀河系的主體，包含大量恒星和星際物質(zhì)，并分為薄盤和厚盤。薄盤主要由年輕恒星組成，而厚盤則以較年老的恒星為主。此外，銀盤中還有旋臂，這些螺旋狀分布的恒星和氣體區(qū)域恒星形成活躍。而銀暈環(huán)繞在銀盤之外，包含著大量老年恒星和球狀星團，銀河系的暗物質(zhì)也主要集中于此。
然而，銀河系的整體結(jié)構(gòu)并不是那么容易觀測到。因為太陽系位于銀盤內(nèi)，而地球的觀測位置幾乎與盤平面重合，這為天文學(xué)家觀測銀河系帶來了一些困難。銀河系的盤內(nèi)存在大量星際塵埃，這些塵埃會吸收和散射來自恒星的光，特別是在光學(xué)波段。這種現(xiàn)象被稱為塵埃消光，塵埃對短波長光（如可見光）的吸收尤其強，使我們無法清晰觀測到來自銀河系內(nèi)盤和銀心方向的光線。可以說，觀測銀河系就像試圖穿過煙霧看遠處的風(fēng)景一樣困難。這種消光效應(yīng)也給觀測銀河系中心的黑洞帶來了挑戰(zhàn)，正如我們拍攝黑洞照片時面臨的難題一樣。
不過由于塵埃消光對波長較長光子的影響快速變小，因此近紅外波段的觀測可以很大程度緩解這一難題。近幾年天文觀測技術(shù)的進步，特別是大型近紅外恒星光譜巡天的開展，為解決這一難題提供了很好的機遇。為此，云南大學(xué)中國西南天文研究所的研究團隊利用了斯隆數(shù)字巡天中的近紅外恒星光譜巡天數(shù)據(jù)，對于銀河系結(jié)構(gòu)進行了分析研究。我們知道，斯隆數(shù)字巡天使用了位于美國新墨西哥州阿帕奇山頂天文臺的2.5米口徑望遠鏡，在光學(xué)和近紅外波段分別進行巡天觀測。與光學(xué)波段不同，近紅外波段的光受塵埃消光的影響較小，能夠穿透塵埃云層，提供更清晰的觀測結(jié)果，從而使得科學(xué)家們得以深入觀測到銀河系的內(nèi)盤和銀心區(qū)域。
通過分析這一巡天數(shù)據(jù)，科學(xué)家們首次成功重構(gòu)了從銀河系核心到外盤的完整恒星徑向密度分布。研究結(jié)果顯示，銀河系的結(jié)構(gòu)比此前認(rèn)為的更為復(fù)雜和廣闊。主要發(fā)現(xiàn)包括以下幾點：1. 銀河系的半光半徑，即包含銀河系一半光度的半徑，它大約為1.9萬光年，幾乎是此前估計的兩倍。這意味著銀河系的規(guī)模遠比我們之前設(shè)想的要大，與同質(zhì)量星系的大小相當(dāng)。2. 在外盤區(qū)域，恒星的數(shù)量隨著半徑的增加呈指數(shù)下降，這是典型盤星系的特征。而在內(nèi)盤區(qū)域，恒星密度與外盤的指數(shù)下降趨勢不同，幾乎保持平坦。這一發(fā)現(xiàn)表明，銀河系的內(nèi)盤與外盤在結(jié)構(gòu)上存在顯著差異。
**這一研究顛覆了此前對銀河系結(jié)構(gòu)的一些重要假設(shè)。**過去，天文學(xué)家認(rèn)為銀河系的恒星分布從內(nèi)到外呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，并估計銀河系的半光半徑為1萬光年左右，這一數(shù)值比同質(zhì)量星系的半光半徑要小，因此銀河系被認(rèn)為是一個較致密的星系。然而，新研究顯示，銀河系的實際半光半徑幾乎是原來估計的兩倍。這意味著銀河系并非如先前認(rèn)為的那樣“緊湊”，而是更加接近于典型的盤星系。這一發(fā)現(xiàn)糾正了我們對銀河系規(guī)模的認(rèn)知。同時，它也修正了我們對銀河系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。
這個研究對未來銀河系的研究必將產(chǎn)生一些影響。它讓我們更加準(zhǔn)確地掌握了銀河系的結(jié)構(gòu)及其大小，改變了我們對銀河系作為一個典型旋渦星系的理解。另外，它也深化了我們對銀河系演化的理解。通過對恒星徑向密度分布的精確重建，科學(xué)家能夠更好地分析銀河系的動力學(xué)結(jié)構(gòu)以及恒星的年齡分布?？梢哉f，這項研究為銀河系結(jié)構(gòu)研究開啟了新的篇章。
隨著更多近紅外巡天項目的開展和觀測技術(shù)的不斷進步，科學(xué)家有望進一步揭示銀河系的細節(jié)結(jié)構(gòu)，特別是銀心和內(nèi)盤的動力學(xué)特征。同時，通過開展銀河系和其他星系的對比研究，未來的觀測將為我們更深入理解銀河系的形成與演化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
該研究已于2024年7月發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·天文學(xué)》上。
本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者：茍利軍
審核：韓文標(biāo) 中國科學(xué)院上海天文臺 研究員
出品：中國科協(xié)科普部
監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
