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（銀河系河外視角想象圖，來(lái)源：云南大學(xué)中國(guó)西南天文研究所）
銀河系比我們?cè)纫詾榈母?，恒星分布也沒(méi)有那么密集，這顛覆了我們對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。
今年（2024年）7月，中國(guó)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(pán)和內(nèi)盤(pán)的恒星分布也明顯不同。這可能需要我們對(duì)銀河系的演化給出新解釋。
我們知道，太陽(yáng)所在的星系被稱(chēng)為銀河系，它是一個(gè)典型的旋渦星系。銀河系的主要組成部分包括核球、銀盤(pán)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(gè)超大質(zhì)量黑洞，這個(gè)區(qū)域我們通常稱(chēng)為銀心。銀盤(pán)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(pán)和厚盤(pán)。薄盤(pán)主要由年輕恒星組成，而厚盤(pán)則以較年老的恒星為主。此外，銀盤(pán)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(pán)之外，包含著大量老年恒星和球狀星團(tuán)，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(cè)到。因?yàn)樘?yáng)系位于銀盤(pán)內(nèi)，而地球的觀測(cè)位置幾乎與盤(pán)平面重合，這為天文學(xué)家觀測(cè)銀河系帶來(lái)了一些困難。銀河系的盤(pán)內(nèi)存在大量星際塵埃，這些塵埃會(huì)吸收和散射來(lái)自恒星的光，特別是在光學(xué)波段。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為塵埃消光，塵埃對(duì)短波長(zhǎng)光（如可見(jiàn)光）的吸收尤其強(qiáng)，使我們無(wú)法清晰觀測(cè)到來(lái)自銀河系內(nèi)盤(pán)和銀心方向的光線?？梢哉f(shuō)，觀測(cè)銀河系就像試圖穿過(guò)煙霧看遠(yuǎn)處的風(fēng)景一樣困難。這種消光效應(yīng)也給觀測(cè)銀河系中心的黑洞帶來(lái)了挑戰(zhàn)，正如我們拍攝黑洞照片時(shí)面臨的難題一樣。
不過(guò)由于塵埃消光對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)光子的影響快速變小，因此近紅外波段的觀測(cè)可以很大程度緩解這一難題。近幾年天文觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，特別是大型近紅外恒星光譜巡天的開(kāi)展，為解決這一難題提供了很好的機(jī)遇。為此，云南大學(xué)中國(guó)西南天文研究所的研究團(tuán)隊(duì)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(duì)于銀河系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究。我們知道，斯隆數(shù)字巡天使用了位于美國(guó)新墨西哥州阿帕奇山頂天文臺(tái)的2.5米口徑望遠(yuǎn)鏡，在光學(xué)和近紅外波段分別進(jìn)行巡天觀測(cè)。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(cè)結(jié)果，從而使得科學(xué)家們得以深入觀測(cè)到銀河系的內(nèi)盤(pán)和銀心區(qū)域。
通過(guò)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(pán)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(diǎn)：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(wàn)光年，幾乎是此前估計(jì)的兩倍。這意味著銀河系的規(guī)模遠(yuǎn)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(pán)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(pán)星系的特征。而在內(nèi)盤(pán)區(qū)域，恒星密度與外盤(pán)的指數(shù)下降趨勢(shì)不同，幾乎保持平坦。這一發(fā)現(xiàn)表明，銀河系的內(nèi)盤(pán)與外盤(pán)在結(jié)構(gòu)上存在顯著差異。
**這一研究顛覆了此前對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)的一些重要假設(shè)。**過(guò)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(shì)，并估計(jì)銀河系的半光半徑為1萬(wàn)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(gè)較致密的星系。然而，新研究顯示，銀河系的實(shí)際半光半徑幾乎是原來(lái)估計(jì)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(pán)星系。這一發(fā)現(xiàn)糾正了我們對(duì)銀河系規(guī)模的認(rèn)知。同時(shí)，它也修正了我們對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。
這個(gè)研究對(duì)未來(lái)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(duì)銀河系作為一個(gè)典型旋渦星系的理解。另外，它也深化了我們對(duì)銀河系演化的理解。通過(guò)對(duì)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(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)以及恒星的年齡分布?？梢哉f(shuō)，這項(xiàng)研究為銀河系結(jié)構(gòu)研究開(kāi)啟了新的篇章。
隨著更多近紅外巡天項(xiàng)目的開(kāi)展和觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家有望進(jìn)一步揭示銀河系的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，特別是銀心和內(nèi)盤(pán)的動(dòng)力學(xué)特征。同時(shí)，通過(guò)開(kāi)展銀河系和其他星系的對(duì)比研究，未來(lái)的觀測(cè)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(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·天文學(xué)》上。
本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：茍利軍
審核：韓文標(biāo) 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 研究員
出品：中國(guó)科協(xié)科普部
監(jiān)制：中國(guó)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
