我國天文學家首創“時光動畫”，揭示銀河系暗物質暈形狀

據中國科學院國家天文台網站7月1日消息，近日，國際科學期刊《自然·天文》在線發表了中國科學院大學、中國科學院國家天文台、北京大學和上海交通大學聯合主導的一項重要研究成果。研究團隊基於國家天文台負責運行的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡，以及歐洲航天局蓋亞衞星數據，首創了“時光動畫”（motion picture）新方法，利用不同年齡的造父變星樣本直接測量出銀盤翹曲的進動方向和速率。基於此，研究團隊揭示出當前銀河系的暗物質暈形狀為接近球形的扁橢球。

在近鄰宇宙中，大多數的盤狀星系其實都不是一個完美的圓盤，而是在外區表現出像薯片一樣的彎曲狀態，天文學家稱之為翹曲（warp）。銀河系作為一個典型的盤狀星系，也不例外地表現出翹曲特徵。通常認為，翹曲的起源是外盤物質的旋轉平面偏離了包裹它的暗物質暈的對稱平面。這樣一個傾斜的轉動銀盤就像一個旋轉的陀螺，必然會受到暗物質暈施加的引力矩產生進動。

然而，翹曲的進動速度這一重要動力學參數，無論是方向和速率的測量都存在巨大的爭論，原因是之前的測量都是依賴運動學的間接方法，其使用的示蹤天體會因動力學擾動或加熱效應而影響其測量的準確度與精度。

圖1：左圖：旋轉的陀螺在重力力矩下產生進動；右圖：類比陀螺，銀盤翹曲在暗物質暈的力矩下“翩翩起舞（進動）”（上海交通大學設計學院侯開元、董佔勳製作的藝術想象圖）

這項研究利用蓋亞衞星發現的2600顆年輕經典造父變星作為銀河系翹曲的示蹤天體，並結合LAMOST數據精確測量了這2600顆經典造父變星的距離和年齡，首創了“時光動畫”方法，精確描繪了距今2.5億年間不同年齡切片的銀盤三維結構。通過動畫“放映”方式，該研究清晰地揭示了銀盤翹曲的演化過程，發現翹曲沿着逆太陽旋轉方向以2 km/s/kpc（即每百萬年0.12度）的速率進動。

進一步的精細測量顯示，隨着造父變星樣本離銀心距離的增加，翹曲的進動速率逐漸減小。無論翹曲如何起源，其進動速率和方向都由銀河系內盤與暗物質暈共同決定。在扣除銀河系內盤的貢獻後，研究團隊發現，當前包裹翹曲的銀河系暗物質暈呈現出略微偏離球形的扁橢球形狀（橢球等勢面長短軸之比q值在0.84到0.96之間），目前只有這一形狀才能解釋翹曲的剩餘進動大小。該結果為研究銀河系暗物質暈的演化提供了重要錨點。

圖2：不同年齡切片的造父變星構建的銀盤三維結構以及翹曲節點線隨樣本年齡的變化（斜率即為翹曲進動速率）

該研究成果得到了兩位審稿人的高度評價，兩位審稿人一致認為：“‘時光動畫’是一項新穎且深具説服力的方法，並首次精確測定出進動的方向和速率”。