重新认识银河的模样

发布时间:2018-08-10    来源:人民日报    浏览量:0

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银河系下的郭守敬望远镜。

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银盘面积增大示意图。

  8月7日,中国科学院国家天文台宣布,由其管理和运行的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)已圆满完成一期光谱巡天观测。一期巡天共发布光谱901万,其中高质量光谱(信噪比大于10)777万,确定534万组恒星光谱参数。

  LAMOST发布的光谱数是世界上其他巡天项目发布光谱数总和的1.8倍。该数据集(DR5)已于2017年12月31日对国内天文学家和国际合作者发布。此外,一期巡天以来,利用LAMOST数据共发表SCI论文345篇,被引用3000余次。

  银河系的疆界被大大拓展,半径可能达到约10万光年

  过去的几十年,天文学家普遍认为银河系的半径约为5万光年。它的中心附近存在一个棒状结构,外面呈现盘状结构(银盘)、四周被较稀疏的恒星包裹(银晕),太阳距离银河系中心约为2.5万光年。

  此前,人们还认为银盘在距离银河系中心约5万光年处有一个清晰的边界,在这个边界处银盘恒星的数目骤然下降,如同银盘在此处被切割掉。但是近年来,一些观测在这个边界之外陆续发现一些属于银盘的年轻恒星,这似乎暗示银盘的边界应该更大。然而,要证实这点还需要对更多、更远的恒星进行统计。

  2017年底,国家天文台科研人员利用LAMOST数据,通过应用复杂统计手段精确清点了银河系外围恒星的数目,并成功绘制出银盘外围的空间结构剖面图。

  国家天文台研究员刘超说:“我们从图中可以看出,银盘的恒星数目虽然在随着银盘半径减少,但并没有在5万光年处停下来,而是一直延伸到距离中心6.2万光年处。这比教科书上一直以来引用的半径大了约1/4。”

  2018年,由西班牙加纳利天体物理研究所科研人员和中国国家天文台科研人员组成的国际研究团队又进一步利用LAMOST数据和其他相关数据获取的海量恒星光谱,再次改写了银盘尺寸,发现包含银河系中大多数恒星的盘状结构可能比天文学家之前认为的大很多,半径可能达到约10万光年,银河系的疆界再次被大大拓展。

  刘超说:“这项研究提供了有关银盘恒星构成的新认识,以及银河系尺寸更为精确的数据测量。银河系尺寸的不断改写将促使天文学家重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。”

  此外,科研人员根据LAMOST数据重新精确计算,改写银河系晕的结构特征,确立为内扁外圆的新结构。刘超说:“这一清晰的证据推翻了前人关于恒星晕是一个轴比不变的扁球体的猜测,有助于人类重新理解银河系恒星晕的形成历史和演化。”

  首次测量了近700颗系外行星的轨道偏心率和倾角,太阳系在宇宙中并不是个特例

  此次巡天中,科研人员利用LAMOST首次测量了近700颗系外行星的轨道偏心率和倾角,发现约八成的行星轨道都如同太阳系的近圆形轨道。

  国家天文台研究员赵刚说:“这表明,太阳系在宇宙中并不是一个特例而是具有一定代表性的。在某种程度上增强了我们人类寻找另一个地球和地外生命的信心。”

  类星体是银河系外发光巨大的遥远天体,它的能源来自于其中心超大质量黑洞吸积周围物质释放的巨大引力能,是研究遥远宇宙的重要探针。

  “此次在LAMOST光谱中已发现了1.2万余颗类星体,它们的平均红移为1.5,最高红移为5。”国家天文台研究员赵永恒说,“此外,根据这些数据还估算出了其中心黑洞质量。这些类星体的发现将对大样本类星体的统计研究提供重要帮助。”

  近邻主星系样本是21世纪开始的大规模星系光谱巡天中的经典之作。但由于光纤碰撞效应,该样本在小尺度上具有较高的不完备性。LAMOST巡天中将这些遗漏的星系作为补充星系样本进行观测。

  赵永恒说:“由于巡天范围广,在一期巡天中获得了近万个补充星系的光谱测量,新增证认了近万个密近星系对。这些密近星系对对研究星系的并合过程具有重要的科学价值。”

  科研人员利用LAMOST数据还发现了一类新的太阳系外行星族群——热海星,它们与热木星有几个相同的标志特征,为揭开热木星和其它短周期行星起源提供了关键的线索和崭新的研究方向。

  暗物质占星系总质量的90%以上,但大多数分布很弥散,在太阳所在位置处暗物质所占比例非常低。这就给人类直接探测暗物质带来了巨大困难。

  赵永恒说:“我们利用LAMOST数据对太阳附近的暗物质密度进行了重新估算,这对寻找暗物质粒子、理解暗物质在银河系中分布具有重要意义。”

  此外,利用LAMOST数据,科研人员还精确估算了上百万颗恒星的年龄,使具有精确年龄的恒星样本增加了1000倍,为银河系演化研究提供了基础数据;同时,测量近6000颗类太阳恒星的磁活动指数,发现太阳具有与超级耀斑恒星相当的磁活动水平,证实太阳有爆发超级耀斑的可能。

  发现一颗锂元素含量约为同类天体3000倍的恒星,将国际上锂含量观测极限提高一倍

  年老的贫金属星就像宇宙“化石”一样记录了宇宙化学演化的最初历史,对它们的分析,可以实现对第一代恒星和早期宇宙本质的“恒星考古”。

  赵刚说:“我们此次在LAMOST光谱中已发现了万余颗金属含量低于太阳百分之一乃至万分之一的贫金属星,构建了目前世界上最大的、适合现有大望远镜跟踪观测的宇宙化石样本。”

  同时,科研人员还发现了一批极其稀有的、锂元素丰度超过正常值上百倍的小质量贫金属星。其中,有一颗星的锂元素含量约是同类天体的3000倍,这是目前人类已知锂元素丰度最高的恒星。这一重大发现已于北京时间8月7日凌晨在线发表在国际科学期刊《自然·天文》上。

  锂元素是连接宇宙大爆炸、星际物质和恒星的关键元素,一直以来它在宇宙和恒星中的演化都是天文领域的重要研究对象,然而当代天文学对锂元素的理解还有很大的局限。富含锂元素的巨星十分稀有,但在揭示锂元素起源和演化上却具有重要意义。遗憾的是,过去30余年天文学家只发现了极少量的此类天体。

  “这颗新发现的富锂恒星在银河系中心附近的蛇夫座方向,位于银河系盘面以北,距离地球约4500光年。经过进一步研究我们发现这颗恒星的锂元素很可能来自恒星内部的一种特殊的物质交换过程。”国家天文台闫宏亮博士说,“这一发现改变了人类对天体中锂元素的认知,将国际上锂含量观测极限提高一倍。”

  此外,在LAMOST近千万光谱中,科研人员大海捞针般地发现了5颗超高速星,目前世界上已证认的超高速星仅有20余颗。

  赵刚说:“它们为深入研究这类速度很高,最终能够脱离银河系引力束缚,‘逃离’银河系的恒星的形成机制提供了重要的样本。”


责任编辑:王卫民

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