人馬座星流 有了第一張3D畫像
實習記者 於紫月
銀河系有很多伴星系，如位於銀盤下方的大、小麥哲倫星系。就像地球的引力牽著月亮轉一樣，銀河系也牽著這些星系轉動。
近日，來自中科院天文大科學研究中心特聘青年研究員、上海天文臺博士後李靜，中科院國家天文臺研究員劉超等人利用郭守敬望遠鏡(LAMOST)第一次描繪出了銀河系的一個伴星系——人馬座矮星系的星流(下稱人馬座星流)的三維空間軌道分布，該項研究成果已經發表在《天體物理學報》雜誌上。
星系「拉麵條」的傑作
「人馬座星流是由無數顆恆星構成的『星帶』，散布於人馬座矮星系的前方和後方，就像這個星系向前吐出的火焰、在後遺留的尾巴。」李靜告訴科技日報記者。
銀河系和人馬座矮星系可能都形成於100多億年以前。該矮星系的初始質量約為銀河系的十分之一，後來人馬座矮星系「撲向」銀河系，被銀河系的引力捕獲，成了伴星系。由於現在該矮星系位於人馬座天區，因此被天文學家命名為人馬座矮星系。
該矮星系在掉落進銀河系之前耗盡了氣體，而恆星誕生於氣體之中，沒有氣體就沒有構成恆星的基本材料，因此人馬座矮星系無法再像銀河系那樣每隔一段時間便會有新的恆星誕生。「從某種意義上說，它是個已經死亡的星系。」劉超說。
再後來，人馬座矮星系被剝除了很多恆星並形成星流。一般認為它目前的主體質量只有原來的萬分之一，如今與銀河系相比，成了不折不扣的「小不點」。
星流是如何形成的？「被潮汐力抻出來的。」李靜說。
當引力源對物體產生力的作用時，由於物體上各點到引力源距離不等，所以受到引力大小不同，從而產生引力差，對物體產生撕扯效果，這種引力差就是潮汐力。
「小不點」星系牢牢地被銀河系拽住，無法逃脫。其星系的形狀也被銀河系所產生的巨大潮汐力漸漸拉長，就像將麵團拉成麵條，抻長、拖尾，最終拉出的線條比銀河系的直徑還長。
由於人馬座矮星系一直在繞銀河系轉動，因此銀河系抻拉出來的星流也大致沿著矮星系的軌道像絲帶一樣圍繞著銀河系，現在已經有兩三圈之多。
「這也可以看成是銀河系『進食』的過程。」劉超告訴科技日報記者。
人馬座矮星系繞銀河系的軌道是橢圓形的。當人馬座矮星系遠離銀河系時，它暫時保全了自己，當它撲向銀河系時，潮汐力先將矮星系「撕碎」，從矮星系靠近銀河系的位置上「拽出」一些恆星，成為矮星系的「碎片」，掉落在矮星系運行的軌道上，構成一道星流。
這些掉落的恆星失去了母星系的「保護」，逐漸被銀河系捕獲，成了銀河系的一份子。
多國科學家共繪畫像
人馬座矮星系的生命歷程是與銀河系「躲貓貓」的鬥爭史，而人類邂逅這個矮星系、逐漸揭開星流面紗的過程卻是一部多國天文學家、物理學家共同參與的奮鬥史。
1994年，劍橋大學的天文學家伊巴塔、歐文和吉爾摩用施密特望遠鏡首次發現了這個比大、小麥哲倫星系還要近的小星系。要知道，早在16世紀，葡萄牙航海家麥哲倫便在環球航行時首次對大、小麥哲倫星系做了精確描述。
「人馬座矮星系距離銀河系中心約6萬光年，處於銀河系的盤面上。從地球上觀測，它正好躲在銀河系中心的後面，很容易被忽略掉。」劉超指出，大、小麥哲倫星系雖遠在十幾萬光年之外，但它們正好處於銀盤下方，在南半球用肉眼就能分辨出來。
新的矮星系「亮相」人類天文觀測歷史之後，陸續有學者觀測到星流結構的消息傳來，直到2002年，倫斯勒理工學院的物理學家紐伯格等人用從美國斯隆數字巡天項目(SDSS)中得到的天文數據進行分析，確定了人馬座矮星系附近存在波紋狀的星流，似乎與人馬座矮星系有著千絲萬縷的聯繫。
2003年，維吉尼亞大學的馬耶夫斯基採用紅外波段觀測，首次把整個人馬座星流在天空的位置描繪出來。3年後，英國劍橋大學的別洛庫羅夫等人採用可見光波段觀測發現了人馬座星流有2條分支。
此後，天文學界開始大規模出現相關研究和報導，學者們竭盡全力去探尋幾個關鍵問題——星流的產生、在三維空間中的形態等。
可用於反推銀河系參數
李靜、劉超等人此次的研究便聚焦人馬座星流的三維形態。
「我們是首次較完善地重構了領先和拖後星流中的恆星的三維形態。」李靜表示，研究人員從LAMOST數據中測量了3萬顆M巨星樣本恆星的速度場，通過與蓋亞空間望遠鏡的數據結合，在三維空間描繪了人馬座星流的空間軌道分布。以前「猶抱琵琶半遮面」的人馬座星流更加全面地展現在人們眼前。
M巨星是恆星演化的最晚期階段。為何選擇M巨星作為「探針」？
劉超指出，M巨星亮度較高，容易在浩瀚無垠的星空中挑選出來。李靜也表示，M巨星是探測銀河系暈結構的非常好的天體。
在李靜看來，星流三維形態的研究無論對於人馬座矮星系還是銀河系來說都意義非凡。該星流是2個星系共同作用的結果，星流中恆星的位置及運動軌跡能夠還原銀河系撕裂人馬座矮星系時的力度，從而能夠測量出引力大小，由此推斷銀河系的質量等相關參數。
研究團隊還確定了人馬座星流中最遠的點，大約距離太陽30萬光年。可想而知，銀河系的質量越大，星流就會被吸引得越「緊湊」，最遠點距離太陽就越近一些，反之，星流的最遠點離太陽會遠一些。
「最遠點的30萬光年暗示著銀河系的質量要比人們原先設想的質量小一些。」劉超告訴科技日報記者，按照該研究成果計算，銀河系質量大約為9千億倍的太陽質量。而此前學界通常認為，銀河系質量大約為1萬億倍太陽質量，而按照該質量計算，星流的最遠點距離太陽20萬光年左右。
對於人馬座矮星系，劉超認為，研究三維空間軌道，能夠更好地幫助理論家模擬矮星系被銀河系瓦解的過程，當樣本量足夠大時，還可以推測人馬座矮星系被撕裂之前的形態特徵和誕生起源。
人馬座矮星流堪稱星系之間較為激烈的合併事件的產物，很多星系都是藉助於同類手段迅速長大。「星系作為宇宙的基本元素，研究其成長規律亦是對宇宙演化過程的探索。」劉超說。
來源：科技日報