銀河是如何翹成「炸薯片」樣子的？

愛因斯坦曾說過：「宇宙中最不能理解的事，竟然宇宙是可以理解的!」 自古以來，夜空中美麗浩瀚的銀河，引發了人們無數的想像和勇往直前的探索，從三國時期的「星漢燦爛，若出其裡」到宋代的「銀河宛轉三千曲，浴鳧飛鷺澄波綠」 ……寄託了一代又一代人們對銀河的期許和嚮往。

「翹」的銀河

隨著觀測技術的進步，天文學家得以凝視他們夢寐以求的這片星河，人們對銀河真實面貌的認識也在不斷推陳出新。目前我們認知的銀河是一個直徑大概約為20萬光年的星系，中間為盒狀的「核球」，四周是扁平的「銀盤」，銀盤上下及之外是若隱若現的巨大「銀暈」。

大約70年前，科學家就已經知道銀河系是「翹曲的」，一側的邊緣區域由銀河平面朝北邊彎曲「向上」，另一側彎曲「向下」，遠看就如同我們平常吃的炸薯片。也就是說我們從側面去看銀河，能看到銀河擁有前凸後翹的S型好「身材」。

但是，在很長一段時間裡，由於觀測條件的限制，科學家沒法用真實精確的恆星觀測數據將銀河的「薯片狀」結構生動地呈現在我們面前。

圖1. 銀河系翹曲示意圖，如同薯片一樣（圖源：英國《衛報》網站）

2019年，我國科學家陳孝鈿等人通過恆星計數的方式首次勾勒出銀河系翹曲結構的三維空間分布特徵，這為人類真實地觀看銀河「炸薯片」結構提供了直接的觀測證據。

銀河系，作為茫茫宇宙中一個典型的盤星系，既有普遍性又有特殊性。銀河係為什麼會這樣「翹」？保持S型身材的秘訣是什麼？長期以來，天文界對此存在各種不同的觀點和設想，也成為了國際天文學家討論的熱門話題。

圖2. 星系ESO510-13的翹曲圖，左右兩端都有翹起的特徵（圖源：STScl/NASA）

「翹」的預見

有人認為銀河系的暈和盤相互作用可以產生「翹曲結構」；有人認為氣體掉落到銀盤可以催生銀河系盤的「翹曲結構」；有人則認為銀河系家門口的麥哲倫星雲或鄰居人馬座星系的碰撞也是一種可能性；甚至還有一種觀點認為，銀河系的磁場也在「炸薯片」結構形成中起到重要作用等等。一直以來，大家對於翹曲來源的研究，不斷有新的突破，但難以達成共識。

科學理論需要實測數據一步步證實，歐空局的蓋亞巡天帶來了契機。因為蓋亞衛星可以幫助我們對恆星的三維速度進行史無前例的測量，天文學家利用這些新數據對翹曲的研究和討論日趨激烈。

為了方便理解，天體物理學家從宏觀方向入手，將銀河系盤「炸薯片」外形的形成機制簡單歸為兩類：

第一類原因是受外部吸引和影響，由於銀河系盤與周圍不發光物質或者外部矮星系的引力過程。簡單地講，我們的銀盤如同一個「偶像包袱」十足的明星，與周圍粉絲們相互吸引，「凹造型」凹出了如此曼妙的身材。

第二類則認為不是引力相互作用主導的長期演變過程，簡單稱為非引力過程。比如，銀盤周圍的氣體掉落或磁場作用等影響，導致了銀盤如此之「翹」。

「翹」的新知

如果是第二類原因引起了銀河的「翹曲結構」，體現出來的特徵就是銀盤上年輕恆星家族的彎曲強度比年老恆星家族的彎曲強度更大。這是因為如果是非引力過程主導，那麼該機制主要作用於氣體或年輕恆星，並且年老恆星有足夠的時間自己消化掉外部非引力過程對它產生的影響，從而體現出能被人類探測到的不同恆星家族彎曲強度的分布特性。

雖然我們可以利用蓋亞衛星的海量數據對此進行一些探索，但目前它對恆星視線方向速度測量的數據範圍較小，並且它不能給出較為理想的恆星化學信息、年齡信息等，甚至對銀盤較遠處的恆星距離測量也不夠準確。

幸運的是，我國重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）則可以比較好地解決這些不足之處，同時也為我們提供了一個絕佳的機會，對銀河「翹曲」結構的由來一探究竟，追問它的前世今生與歷史脈絡。

圖3. LAMOST望遠鏡與銀河（圖源：袁鳳芳）

LAMOST特聘青年研究員王海峰主導的國際研究團隊，基於LAMOST巡天光譜數據中豐富的恆星參數信息，巧妙地構建出一個概率分布函數，從新穎的角度出發，對銀盤「炸薯片」的特徵進行了追溯研究。

他們發現，銀盤「薯片」形態的彎曲強度隨著恆星年齡的增加是不斷減小的，而且這樣的「翹曲」身材可以長期保持，但卻又是不穩定的一種狀態。基於科學分析，他們可靠地找到了翹曲結構起源於氣體掉落為代表的非引力過程的證據。因此，基於LAMOST的優勢，研究人員用目前最少的假設、全新的視角發現：銀河系盤的「翹曲」其實是一個起源於非引力物理過程且長期處於非穩定狀態的結構。

圖4. 銀河系翹曲強度演化圖，隨著年齡的增加，強度明顯下降，支持翹曲起源於非引力過程的結論

這一發現推進了人們對於翹曲起源的理解，為我們認識銀河系盤的翹曲及起源邁出了全新的一步。

未來，研究團隊將從數據與物理方面進行更多的努力，逐步地去實現獲取完整銀河真實物理圖像的理想，進而為還原銀河系乃至