近日，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)牽頭的科研團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)新的、定量的星系結(jié)構(gòu)模型，將類似銀河系的一般盤狀星系的幾何結(jié)構(gòu)描繪成一塊“巧克力碎餅干”（Chocolate Chips Cookie）——星系中的老年恒星及其間的彌散星系介質(zhì)構(gòu)成了“餅干”的主要成分，而呈團(tuán)塊狀分布的恒星形成區(qū)域則構(gòu)成了顏色較暗的“巧克力碎”。這項(xiàng)研究定量分析了盤狀星系在不同視線方向上的觀測特征，為盤狀星系中的恒星及塵埃的空間分布提供了全局性的幾何分布模型，為完整描述盤狀星系中塵埃的輻射轉(zhuǎn)移過程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于10月21日發(fā)表在《Astrophysical Journal》上。
宇宙中大部分星系都經(jīng)歷了上百億年的恒星形成和演化過程。對(duì)大部分星系來說，它們雖然已經(jīng)過了其恒星形成最為熾烈的“壯年期”，但直到今天仍然在持續(xù)不斷地形成新的恒星。這些新的恒星在低溫的氣體云中誕生，它們的熾熱輻射將周圍的部分氣體電離，使得天文學(xué)家可以通過這些電離氣體的閃光來追蹤其誕生區(qū)域。在星系的演化歷程中，一代代恒星在核聚變中產(chǎn)生了各種重元素。這些重元素在冷的氣體云中通過復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)逐漸形成了固體小顆粒——天文學(xué)家稱之為“塵埃”。這些塵埃不僅構(gòu)成了人類眼中的大千世界，更是由于它們對(duì)星光的吸收、散射和再輻射使得星系在不同的電磁波段呈現(xiàn)完全不同的風(fēng)貌（圖1）。
圖1. 銀河系在不同電磁波段的形態(tài)(圖片來源：NASA)[1]
(資料圖片)
今天，天文學(xué)家通過大規(guī)模的“普查”發(fā)現(xiàn)，近鄰的宇宙中存在大量與銀河系相似的盤狀星系。這些盤狀星系中，老年恒星及恒星間彌散的星際塵埃呈現(xiàn)連續(xù)的扁平結(jié)構(gòu)分布，而新的恒星形成區(qū)域及其周圍的塵埃包層則呈現(xiàn)為團(tuán)塊狀并分布在一個(gè)更為扁平的盤狀結(jié)構(gòu)中。也正由于塵埃對(duì)星光的吸收作用，以及塵埃和恒星之間的復(fù)雜幾何分布，使得盤狀星系從不同的角度看上去是“橫看成嶺側(cè)成峰”，平添宇宙中幾多壯美的風(fēng)景（圖2）。
圖2. 盤狀星系的正面照：風(fēng)車星系M101（左）；盤狀星系側(cè)面照：草帽星系M104（右）。星系圖片中的暗淡區(qū)域均為塵埃的減光過程所引起（圖片來源：NASA）[2]。
法國學(xué)者Stéphane Charlot和美國學(xué)者M(jìn)ichael Fall在2000年提出了一個(gè)局域的恒星和塵埃分布的幾何模型（圖3）。在該模型中，年輕的恒星形成區(qū)域被連續(xù)的老年恒星及其間的彌散塵埃所包圍，因此可以定性地解釋河外星系中恒星形成區(qū)平均受到的塵埃消光要高于老年恒星的觀測現(xiàn)象。但是，在更大尺度的范圍上，盤狀星系作為一個(gè)整體來說，其不同年齡的恒星及其相應(yīng)的塵埃成分又呈現(xiàn)什么樣的幾何分布呢？
圖3. Charlot & Fall在2000年提出的一個(gè)星系中恒星與塵埃分布的區(qū)域的幾何模型：陰影區(qū)域表征塵埃，大的雪花表示新形成的恒星，而小的雪花代表老年恒星[3]。
近日，來自中國科學(xué)院上海天文臺(tái)和紫金山天文臺(tái)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在Charlot& Fall的局域模型基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)新的盤狀星系的整體結(jié)構(gòu)模型——“巧克力碎餅干”模型（Chocolate chips cookie model，圖4）。通過該模型的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)老年的恒星及其中彌漫的星際介質(zhì)構(gòu)成了餅干的主體，而其中內(nèi)嵌的巧克力碎片則形象地描繪了新的恒星誕生區(qū)域。這些新的恒星還沒有完全脫離其母體星云，其外圍星云中的塵埃仍然對(duì)星云內(nèi)部的輻射產(chǎn)生了顯著吸收，使得這些恒星形成區(qū)域看上去就像一塊顏色較深的“巧克力碎”。由于觀測者只能看到星系某個(gè)角度的圖像，所以對(duì)于一般的盤狀星系這樣的整塊“餅干”來說，難點(diǎn)在于準(zhǔn)確地給出其中“巧克力碎”——即新生恒星區(qū)域——的含量和分布特征。為了突破這個(gè)難點(diǎn)，研究人員在近鄰宇宙的大樣本星系中精心選擇了一組與銀河系質(zhì)量相當(dāng)?shù)谋P狀星系作為研究對(duì)象。這些星系的盤面相對(duì)于觀測者來說具有隨機(jī)的指向——這在某種程度上等價(jià)為對(duì)一個(gè)銀河系這樣的典型星系從各個(gè)不同的角度進(jìn)行了全方位觀測。基于這樣一個(gè)帶著“宇宙學(xué)原理”特色的想法，研究人員成功地建立了一個(gè)定量的“巧克力碎餅干”模型，并能完美復(fù)現(xiàn)盤狀星系中的塵埃在不同觀測角度上對(duì)老年恒星和年輕恒星區(qū)域所產(chǎn)生的不同觀測效應(yīng)。在該模型中，對(duì)于銀河系這樣的典型盤狀星系來說，其恒星形成區(qū)（“巧克力碎”）的盤面厚度僅為老年恒星分布（“餅干主體”）的一半，但在其徑向上的延展程度卻高出60%。
“本次研究提出的模型不僅能夠在統(tǒng)計(jì)上解釋盤狀星系由塵埃消光引起的各觀測特征外，還能預(yù)言它們的典型物理特征，從而可以和銀河系這樣的典型盤狀星系的細(xì)致觀測結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步比較。”該研究的第一作者、上海天文臺(tái)博士研究生盧家風(fēng)表示，“比如說，通過對(duì)模型的細(xì)致分析，我們發(fā)現(xiàn)在像銀河系這樣的盤狀星系‘餅干’中，大約存在一萬個(gè)左右能夠看得見的‘巧克力碎’。有意思的是，這樣基于模型的理論分析和銀河系中對(duì)恒星形成區(qū)域及相應(yīng)年輕星團(tuán)的觀測結(jié)果具有很好的一致性。這在一定程度上也說明了我們的銀河系在宇宙中具有一般性。”
該研究的通訊作者、上海天文臺(tái)沈世銀研究員展望道：“本次研究提出的模型在未來還將進(jìn)行進(jìn)一步拓展，并期望將其應(yīng)用于盤狀星系中塵埃的輻射過程。這樣我們就可以進(jìn)一步復(fù)現(xiàn)和解釋像銀河系這樣的典型的盤狀星系在紅外波段的觀測特征。”
圖4. 盤狀星系的“巧克力碎餅干”模型：老年恒星連續(xù)分布，構(gòu)成餅干的主體；恒星形成區(qū)域呈團(tuán)塊狀分布，由于外圍有更多的塵埃，看上去像巧克力碎。
本項(xiàng)目主要由自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目支持。
參考文獻(xiàn)：
[1] Multiwavelength Milky Way Images: https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/mwmw/mmw_images.html
[2] Hubbles Messier Images: https://www.nasa.gov/content/goddard/hubble-s-messier-catalog
[3] Charlot, Stéphane ; Fall, S. Michael， 2000，ApJ， 539，718
論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac92e9
標(biāo)簽： 星系結(jié)構(gòu)
