從太陽出發，一路看盡反銀心方向的“結構花”_風聞

寫在前面的話

本文作者之一：李靜

從事銀河系結構研究工作已有十年，讓我對銀河系怦然心動的，是十年前2011年仲夏之夜的一次偶然機會。身處在祁連山麓，遙望滿天璀璨的繁星，第一次目睹明亮浩瀚的銀河高懸其中。那一瞬間，作為一個天文人，我興奮得濕了眼眶，激動不已！心中不禁感慨：覽盡世間萬千風景，不及“天河”一抹星光。

圖1. 銀河星空（圖源：網絡）

橫跨天際的這條璀璨星河，令古往今來無數文人墨客魂牽夢繞，更讓一代代天文人心馳神往。

銀河系如同浩瀚宇宙中的一處島嶼，而我們就居住在這個“宇宙島”之上，天文學家一直在努力探索銀河這座恆星之島究竟有多長多寬，是怎樣的波瀾壯闊，是如何的豐富多彩。而行走在這座宇宙島之上的萬千星辰演繹着怎樣的車水馬龍？又訴説着怎樣的傳奇故事？

圖2. 銀河系示意圖（圖源：維基百科）

隨着觀測技術的進步，尤其重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），它發佈的千萬光譜成為天文學家構建“數字銀河系”的基石。恰逢歐洲航天局發射的蓋亞衞星(Gaia)發佈了十億多顆恆星的精確距離、亮度和自行。因此LAMOST與Gaia的強強聯手為天文學家研究銀河系結構、形成與演化問題提供了有史以來最全面、最詳細的數據資源。近年來，科研人員把握機遇，在銀河系的研究上不斷取得突破性進展。

**近期，西華師範大學物理與空間科學學院李靜副研究員與國家天文台薛香香研究員等人在銀河系結構方面的研究又有新突破。**團隊利用LAMOST和Gaia數據，對位於反銀心方向的麒麟座星環、三角座-仙女座星流和A13等子結構的起源開展研究，發現它們並不是來自銀河系吸積的矮星系，而是銀河系外盤的一部分。該成果已在國際知名天文期刊《天體物理學報》（2021,ApJ,910,1）上發表，查閲論文請點擊文末“閲讀原文”。

該研究結束了天文界長期以來關於反銀心子結構起源的爭議。研究還發現反銀心的子結構可延伸到距離銀河系中心近10萬光年處，是經典銀盤尺度的2倍。這也佐證了2018年中西國際團隊利用LAMOST數據發現銀河系尺寸比傳統認知大一倍的結論。

目前我們認識的銀河系包括核球、銀盤和銀暈。銀盤是銀河系恆星形成的主要區域。天文學家把銀河系中心稱為銀心。人類生活在太陽系中，我們凝視銀河的視角自然也是以太陽為基準點。在天文學家眼裏，從太陽出發，朝向銀河系中心的區域為銀心方向，背離銀心的區域稱為反銀心方向。

LAMOST銀河系反銀心方向巡天是LAMOST銀河系巡天的重要組成部分，因此天文學家利用LAMOST反銀心方向的大數據優勢，開展了一系列反銀心方向的科學研究。

天文學家對於反銀心方向上子結構的研究如同一場星空旅行，**收拾“數據行囊”從太陽出發，沿着反銀心的方向輻射狀撒網，一路尋找萬千星辰綻放的“結構花”。**見微知著，推陳出新。天文學家為描繪出完整的銀河畫卷努力添墨加彩。

沿途的“結構花”

關於銀河系反銀心結構的研究最早可以追溯到2002年。美國倫斯勒理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute）的海蒂·紐伯格（Heidi Newberg）教授及其合作者發現，在銀盤的外側有一簇高度密集的恆星，呈現出恆星團塊的模樣，天文學家稱這樣的恆星聚集團塊為恆星“子結構”，而這個子結構就是我們所熟知的麒麟座星環（也稱麒麟環，Monoceros Ring）。

從我們所處的位置背對銀河系中心沿着銀盤向外望去，麒麟座星環距離我們大約3萬光年，意味着它距離銀河系中心約有6萬光年（太陽距離銀河系中心約3萬光年）。當時，天文學家猜測這一團與眾不同的恆星結構或許是矮星系被銀河系潮汐力瓦解留下的印記，後來一些研究認為，麒麟座星環可能是銀盤翹曲或者邊緣增厚的一部分。之後10餘年間，天文學家一直為揭開這些子結構的真正起源而不斷搜尋證據。

隨着研究的深入，反銀心方向更多的子結構陸續被發現，劍橋大學桑吉卜·莎瑪通過2微米全天巡天計劃（2MASS）數據，在更遠的反銀心區域發現了“A13”結構，該結構距離銀心7.1萬光年，距離銀河系中心大約8萬光年。天文學家還發現了與麒麟座星環類似的另一個子結構，也就是著名的三角座－仙女座星流（Triangulum Andromeda Stream）。這兩個子結構的距離都遠遠超出了傳統上認為的銀河系盤只有5萬光年半徑的邊界。

這些“結構花”的發現不斷刷新人們對銀盤大小和結構特點的認知。早期發現的這些結構主要基於測光數據，當時反銀心區域恆星光譜數據非常缺乏，而且銀盤上消光嚴重，因此，早期天文學家對反銀心結構並沒有具體的分類。

直到2012年，李靜等人利用美國斯隆數字巡天計劃（SDSS）第八次數據釋放發佈的光譜，描繪了反銀心子結構的特徵，根據運動學性質的不同將反銀心結構分為了反銀心星流，東部帶狀結構，以及真正的低銀緯麒麟座星環。

2015年，國家天文台徐巖等人通過利用SDSS數據進一步研究，發現了兩個著名的新結構，分別為距離銀心3.3萬光年的北近結構和距離銀心3.9-4.5萬光年的南中結構。證實了反銀心區域恆星南北不對稱的分佈特點，同時還大膽猜測這些子結構都是銀盤波浪起伏的不同凹凸部分。

圖3. 銀河系盤具有“波浪”一樣的起伏特點（圖源：海蒂·紐伯格）

至此，天文學家由太陽出發，向着反銀心方向，沿途發現的“結構花”包括北近結構、南中結構、麒麟座星環、A13結構和三角座－仙女座星流，從3.9萬光年到9.8萬光年依次延展排列，構成了反銀心方向上獨特的風景線。不僅如此，這些恆星子結構還交替出現在銀盤的南北兩側，勾勒出銀盤波浪狀起伏的優美姿態。

2017年，美國費米國家加速器實驗室Li Ting S.等人對反銀心子結構A13進行了更深入地研究，推測該結構可能也是盤波浪狀起伏的一部分。

圖4. Li Ting S.等人2017年推測的盤“波浪”模型（圖源：Li Ting S.）

“結構花”的發源地

這些子結構的出現讓天文學家重新認識了我們的銀河，不是傳統認知的光滑扁平盤，而是星波盪漾的不安分銀河。但這些反銀心子結構到底來自何方？天文學家對此莫衷一是。

直到2021年，李靜和薛香香等人利用LAMOST在銀河系反銀心觀測到的大樣本恆星光譜，結合Gaia的高精度自行，將反銀心子結構的起源問題研究推上了一個新的高度，結束了十幾年來天文界對反銀心子結構起源問題的爭議，揭開了銀河系恆星“結構花”的身世之謎。

圖5. 銀河系下的郭守敬望遠鏡LAMOST（拍攝：張超）

李靜和薛香香等人從LAMOST數據中挑選了大量的紅巨星。這類恆星非常明亮，即使離我們很遠也能被觀測到，所以紅巨星是天文學家研究銀河系暈和外盤的強有力探針。利用這個樣本，李靜等人在距離銀河系中心3.9萬光年到9.8萬光年範圍內分別找到了兩個位於反銀心附近的恆星小團隊（共589顆紅巨星），其中一個位於銀盤的上面，另一個位於銀盤的下面。

天文學家手握這樣的“結構花”，並未止步於欣賞它們呈現的美，更期待挖掘它們背後的故事。這些恆星來自哪裏？是否包含了之前已有子結構的成員星？是何種魅力讓這些恆星惺惺相惜，聚集在一起？帶着這樣的問題，李靜和薛香香等人繼續從恆星的細節入手，獲取這些恆星的位置、速度、化學元素的含量（金屬丰度和a元素丰度）等信息，這些信息成為天文學家對恆星進行“身份識別”和“尋根問祖”的可靠依據。

與之前在反銀心區域發現的子結構進行位置對比，李靜和薛香香等人發現，她們找到的兩個恆星小團隊覆蓋麒麟座星環、A13和三角座-仙女座星雲三個已知子結構，構成了目前最大、覆蓋最廣、擁有三維運動和化學信息的反銀心子結構成員星樣本。困擾了天文學家10餘年的反銀心結構起源問題終被揭曉。

銀河系盤結構與其它旋渦星系一樣被認為具有薄盤和厚盤兩個組成部分（如下圖所示）。為了證實已確認的反銀心子結構成員星的出身，李靜和薛香香等人再次進行身份匹配，將這些已確認的反銀心子結構成員星的化學元素含量、運動特徵以及能量角動量分佈與銀盤進行“親子鑑定”，驚喜地發現，這些成員星與銀盤擁有相似的近圓運動軌道，金屬丰度與厚盤星相似。

圖6. 銀河系結構示意圖（圖源：網絡）

通過進一步驗證，她們還發現這些子結構成員星的a元素丰度明顯低於厚盤，這是由於目前外盤依然存在很多冷氣體，相對於內盤，分子云密度低，歷史上平均的恆星形成效率低，化學元素的金屬丰度增加的不充分，因此a元素丰度比厚盤星要低。綜合運動特徵和化學DNA鑑定，李靜和薛香香等人推斷這些子結構成員星應該屬於低a丰度貧金屬外盤星，意味着這些反銀心子結構起源於銀盤。這些成員星分佈於距離銀河系中心3.9萬光年到9.8萬光年的範圍，這也説明離銀心9.8萬光年處仍然存在外盤成分。

圖7. 子結構星羣在銀道座標系下的分佈（圖源：李靜）

這一研究成果證明銀盤的半徑至少有9.8萬光年，是人們認識的經典盤尺度的兩倍，這與2018年劉超研究員等人的國際團隊研究成果——銀河系從“二環”擴建到“五環”的結論是吻合的。同時證明了研究人員認為麒麟座星環，A13，三角座-仙女座星雲是銀河系外盤一部分的觀點是正確的，且在外盤區域，銀盤的這種波浪形起伏特徵更加地平緩延展。

👉延展閲讀：銀河系從“二環”擴建到“五環”啦！

銀河系結構和形成演化問題一直是天文學研究的重要前沿課題，在許多方面尚未形成一致觀點，人類對銀河系和宇宙的探索永無止境，藉助日益進步的技術與設備，天文學家將更好地認識波瀾壯闊的銀河系，逐步繪製出更加完整真實的銀河畫卷。

作者 · 簡介

**李靜，**西華師範大學物理與空間科學學院天文系副研究員，主要研究方向是利用巡天項目大數據研究銀河系子結構的形成和演化。

李雙，中國科學院國家天文台工程師，LAMOST運行和發展中心宣傳主管。