自2023年以来,中国科学院紫金山天文台(以下简称:紫台)在银河系结构及高精度天体测量领域取得了一系列重要进展。这些研究成果不仅挑战了传统的银河系结构认知,还为理解宇宙的起源与演化提供了新的视角。
银河系结构一直是天文学研究的热点和难点。传统观点认为银河系具有四条从内到外的旋臂,例如由美国科学院院士Mark Reid教授提出的四旋臂模型。然而,2023年4月,紫台研究团队基于多波段高精度测量数据,首次提出了银河系是一个内部两旋臂、外部多旋臂的星系。
根据新模型,银河系与宇宙中高达82%的同类星系相似,而传统模型星系仅占约1%。这表明银河系并不特别。这对传统的银河系旋臂模型提出了重大挑战,并被国际媒体广泛报道,称“天文学家正在重绘银河系”。尽管如此,新的银河系模型仍需更多观测证据来支持。
1、获得美国甚长基线干涉阵长达122小时的观测时间
验证新旋臂模型的一个关键步骤是揭示银河系内部两旋臂的分叉点,这需要高精度地确定旋臂上天体的距离。2023年11月,紫台团队成功申请到美国甚长基线干涉阵(VLBA)122小时的观测时间,计划观测银河系远端(约4万光年)的8个大质量恒星形成区脉泽的视差(距离)和自行(运动)。这些脉泽可能位于银河系新模型预测的人马臂和英仙臂交叉点附近(图1左图),将为揭示银河系远端旋臂结构提供关键数据。PI为紫台博士后林泽昊。这是中国科研人员单次获得最多的VLBA时间。评审专家指出:“该观测申请是令人信服的科学案例,为研究银河系结构提供了一种宝贵的途径和一套清晰的方法。”
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图1. 左:新的银河系旋臂模型,白色方框为新的观测申请瞄准的区域。右:新的脉泽三角视差表明人马臂可能与英仙臂合并。
2、更多新观测证据支持新银河系模型
2024年5月,紫台团队经过长达6年的观测和数据处理,通过分析“贝塞尔”项目中64个历元的VLBA观测数据,成功获得了4个位于银河系人马臂远端(约3万光年)的脉泽的视差,解决了这些源长期以来的距离不确定性。更重要的是,研究发现人马臂可能与英仙臂合并(图1右图),为新的银河系模型提供了有力的观测证据。该工作发表在国际天文期刊《Astronomical Journal》。第一作者为紫台博士后卞帅博,银河系四旋臂模型的权威Mark Reid教授也是该工作的合作者之一。
最新的其他研究也为新旋臂模型提供了支持。例如,Guerrette等人(2024)发现银河系的许多结构参数在宇宙中是普通的,支持银河系是一个普通星系。Nakanishi等人(2024)利用日本VERA对外银盘水脉泽的测量,构建了银河系的旋转曲线,发现2旋臂和4旋臂分别在银河系内部和外部占主导地位。这进一步支持了银河系是内部两旋臂、外部多旋臂的形态。
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图2. 能够与SKA组成阵列的望远镜位置分布。
3、SKA-VLBI天体测量前景
2024年6月,紫台团队在国际天文期刊《Research in Astronomy and Astrophysics》发表综述阐述了SKA-VLBI的天体测量科学,填补了SKA在天体测量领域的空白,被审稿人评价为“SKA-VLBI科学案例的前瞻性总结”。该项工作第一作者为紫台副研究员李英杰博士。
未来的SKA-VLBI(图2)将达到或好于2微角秒的视差测量精度,其灵敏度将达到微央斯基,而且能覆盖广泛的天空范围。这将能够精确测量银河系远端的旋臂结构,不仅验证新的银河系模型,还能揭示旋臂的三维运动和演化。此外,SKA-VLBI的高精度天体测量有望革命性地解决许多天文学和物理学基本问题。例如,恒星(单星、双星与多星)形成、结构与演化,黑洞、中子星等致密星物理,星系(星系团)形成与演化,宇宙哈勃膨胀,独立于宇宙学距离阶梯的几何测距标尺,以及引力理论检验与应用。
紫台在银河系结构及高精度天体测量领域的突破,不仅挑战了传统的银河系认知,还为未来研究奠定坚实基础。这些成果具有重要的科学意义,将进一步推动我们对宇宙的理解。
系列进展得到国家自然科学基金重点项目,国家自然科学基金青年项目等资助。
论文链接:
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad4030
https://doi.org/10.1088/1674-4527/ad420c
新闻来源:http://pmo.cas.cn/xwdt2019/kyjz2019/202406/t20240629_7205019.html