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    我國學者在銀河系結構研究方面取得新進展

    日期 2020-08-07   來源:數理科學部   作者:劉強 鄭興武  【 】   【打印】   【關閉

    圖1. 銀河系結構圖

     

    圖2.《科學美國人》封面文章

      在國家自然科學基金項目(批準號:18670617、19273007、19673006、10073004、10133020、10673024、11073054、11133008)資助下,南京大學鄭興武教授團隊和國內外同行合作,對位于銀河系旋臂上多個甲醇和水分子脈澤(一種宇宙激光源)進行長期觀測和潛心研究。通過參加重大國際科學計劃,繪制出迄今為止旋臂位置最精確的銀河系結構圖,清晰地展示了銀河系是一個具有四條旋臂的棒旋星系,回答了銀河系究竟有幾條旋臂這個天文學中長期爭論而未解決的重大科學問題。美國哈佛-斯密松天體物理中心資深天文學家、美國科學院院士馬克·里德(Mark Reid)和南京大學鄭興武教授合作,以“銀河系新視野(New View of the Milky Way)”為題,將該銀河系結構圖刊登在著名雜志《科學美國人》(Scientific American)上,基于它對銀河系旋臂結構有顛覆性認識,該文章成為該刊今年4月的封面導讀文章。文章鏈接:https://www.scientificamerican.com/magazine/sa/2020/04-01/。

      銀河系結構是天文學中長期沒有解決的重大問題之一,主要原因是銀河系直徑估計大小約在10至18萬光年,我們居住的太陽系離銀河系中心很遠,且位置接近銀道面,我們所看到的旋臂,它們都重疊投影在天球上,從而無法分辨。我們又無法離開銀河系,到幾百萬光年以外的宇宙空間來回眸銀河系,這恰如“不知廬山真面目,只緣身在此山中”。但如果能精確地測定旋臂上足夠多的天體到太陽的相對距離,即便我們在銀河系的內部,也完全能從內到外勾畫出銀河系的旋臂結構。

      由于銀盤上有濃密的塵埃氣體,使得位于銀河系旋臂上的光學輻射受到非常嚴重的消光,隨著上世紀50年代射電和紅外天文的發展,銀河系結構的研究取得了非常大的進展。天文學家用射電和紅外望遠鏡發現,銀河系旋臂上的大質量恒星形成區的天體,除了有光學發射的天體之外,還有更多的不可見射電和紅外年輕天體,以及孕育它們的巨分子云、分子氣體和塵埃,都可以作為銀河系結構的示蹤天體。更重要的是它們的射電和紅外電磁輻射能穿透銀道面上濃密的塵埃,使我們幾乎能看到銀河系邊緣的這些源。

      經近半個世紀的觀測和研究,天文學家普遍認為銀河系是一個棒旋星系。然而,由于不能直接測定大質量恒星形成區中年輕天體的距離,銀河系結構的最基本的問題沒有解決,如銀河系究竟有幾條旋臂、太陽在銀河系中的精確位置和運動。

      鄭興武教授團隊開始以脈澤為觀測目標,用高分辨率甚長基線干涉儀(VLBI)開展大質量恒星形成區中磁場分布和大質量分子云核旋轉及塌縮的研究。2003年,南京大學天文與空間科學學院徐燁博士、鄭興武教授、美國天文學家馬克·里德和德國馬普射電天文研究所卡爾·門滕(Karl Menten)教授合作,首次提出利用甚長基線干涉儀相位參考技術,精確測量英仙臂大質量恒星形成區W3OH中甲醇(CH3OH)脈澤的三角視差和自行,獲得出乎意料的成功。從三角視差測量獲得該大質量恒星形成區的距離為6360±40光年,測量精度高達2%,達到有史以來天文學中對如此遙遠的天體精度最高的距離測量。從脈澤的自行和視向速度測量,可以獲得這個大質量恒星形成區在銀河系里的三維運動,研究銀河系旋臂的運動學性質。這項工作的完成預示了直接測量銀河系旋臂結構和運動的可能性。基于該研究成果的重要性,《科學》(Nature)雜志在2006年1月刊載了封面導讀論文“銀河系英仙座旋避的距離(The Distance to the Perseus Spiral Arm in the Milky Way)”。這是中國天文學家的論文第一次成為《科學》雜志的封面導讀文章。

      之后,中國天文學家作為主要成員提出并參加了美國國立射電天文臺甚長基線陣(Very Lone Baseline Array,簡稱VLBA)的“銀河系棒和旋臂結構巡珍重大科學計劃’(The Bar and Spiral Structure Legacy Survey)”,英文簡稱BeSSeL,中文簡稱貝塞爾)的前導實驗觀測,其前導研究成果最終促成了該國際天體測量重大科學計劃的形成。

      BeSSeL項目由美國、德國和中國為主導,共8個國家22位天文學家組成,美國馬克.里德博士為項目組組長(PI)、德國門滕教授和中國的鄭興武教授為副組長(CO-PI)。國際貝塞爾團隊用等效口徑大小為8000多公里的甚長基線干涉陣和幾何三角視差方法,直接測量大質量恒星形成區中脈澤的距離和自行。由于脈澤源是一種亮溫度超過億度,甚至萬億度的宇宙激光點源,其電磁輻射能穿透銀盤中濃密的塵埃氣體,使我們有可能探索銀河系邊緣的大質量恒星形成區。在里德博士項目組長的有效組織下,到2019年底,國際貝塞爾項目組共測量了位于銀河系旋臂上的163個脈澤源,中國的天文學家觀測測量了85個源,占一半的工作量。國際貝塞爾項目組在國際知名的天文和天體物理刊物上共發表了35篇論文,其中,中國的天文學家發表了16篇論文。通過參加該重大國際科學計劃,助推了我國甚長基線天體測量學科的發展,培養了年輕天文學家,使他們熟練地掌握精密VLBI天體測量理論、技術和方法,他們的理論素養和成果位居國際甚長基線天體測量學科的前列。

      四條旋臂結構圖是迄今為止旋臂位置最精確的銀河系結構圖,它徹底解決了銀河系究竟有幾條旋臂這一重大科學問題,清晰地展示了銀河系是四條旋臂的棒旋星系。中國天文學家的工作對繪制該結構圖做出了至關重要的貢獻。




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