发布时间: 2019-07-04
银河系有很多伴星系，如位于银盘下方的大、小麦哲伦星系。就像地球的引力牵着月亮转一样，银河系也牵着这些星系转动。
近日，来自中科院天文大科学研究中心特聘青年研究员、上海天文台博士后李静，中科院国家天文台研究员刘超等人利用郭守敬望远镜（LAMOST）第一次描绘出了银河系的一个伴星系——人马座矮星系的星流（下称人马座星流）的三维空间轨道分布，该项研究成果已经发表在《天体物理学报》杂志上。
星系“拉面条”的杰作
“人马座星流是由无数颗恒星构成的‘星带’，散布于人马座矮星系的前方和后方，就像这个星系向前吐出的火焰、在后遗留的尾巴。”李静告诉科技日报记者。
银河系和人马座矮星系可能都形成于100多亿年以前。该矮星系的初始质量约为银河系的十分之一，后来人马座矮星系“扑向”银河系，被银河系的引力捕获，成了伴星系。由于现在该矮星系位于人马座天区，因此被天文学家命名为人马座矮星系。
该矮星系在掉落进银河系之前耗尽了气体，而恒星诞生于气体之中，没有气体就没有构成恒星的基本材料，因此人马座矮星系无法再像银河系那样每隔一段时间便会有新的恒星诞生。“从某种意义上说，它是个已经死亡的星系。”刘超说。
再后来，人马座矮星系被剥除了很多恒星并形成星流。一般认为它目前的主体质量只有原来的万分之一，如今与银河系相比，成了不折不扣的“小不点”。
星流是如何形成的？“被潮汐力抻出来的。”李静说。
当引力源对物体产生力的作用时，由于物体上各点到引力源距离不等，所以受到引力大小不同，从而产生引力差，对物体产生撕扯效果，这种引力差就是潮汐力。
“小不点”星系牢牢地被银河系拽住，无法逃脱。其星系的形状也被银河系所产生的巨大潮汐力渐渐拉长，就像将面团拉成面条，抻长、拖尾，最终拉出的线条比银河系的直径还长。
由于人马座矮星系一直在绕银河系转动，因此银河系抻拉出来的星流也大致沿着矮星系的轨道像丝带一样围绕着银河系，现在已经有两三圈之多。
“这也可以看成是银河系‘进食’的过程。”刘超告诉科技日报记者。
人马座矮星系绕银河系的轨道是椭圆形的。当人马座矮星系远离银河系时，它暂时保全了自己，当它扑向银河系时，潮汐力先将矮星系“撕碎”，从矮星系靠近银河系的位置上“拽出”一些恒星，成为矮星系的“碎片”，掉落在矮星系运行的轨道上，构成一道星流。
这些掉落的恒星失去了母星系的“保护”，逐渐被银河系捕获，成了银河系的一份子。
多国科学家共绘画像
人马座矮星系的生命历程是与银河系“躲猫猫”的斗争史，而人类邂逅这个矮星系、逐渐揭开星流面纱的过程却是一部多国天文学家、物理学家共同参与的奋斗史。
1994年，剑桥大学的天文学家伊巴塔、欧文和吉尔摩用施密特望远镜首次发现了这个比大、小麦哲伦星系还要近的小星系。要知道，早在16世纪，葡萄牙航海家麦哲伦便在环球航行时首次对大、小麦哲伦星系做了精确描述。
“人马座矮星系距离银河系中心约6万光年，处于银河系的盘面上。从地球上观测，它正好躲在银河系中心的后面，很容易被忽略掉。”刘超指出，大、小麦哲伦星系虽远在十几万光年之外，但它们正好处于银盘下方，在南半球用肉眼就能分辨出来。
新的矮星系“亮相”人类天文观测历史之后，陆续有学者观测到星流结构的消息传来，直到2002年，伦斯勒理工学院的物理学家纽伯格等人用从美国斯隆数字巡天项目（SDSS）中得到的天文数据进行分析，确定了人马座矮星系附近存在波纹状的星流，似乎与人马座矮星系有着千丝万缕的联系。
2003年，弗吉尼亚大学的马耶夫斯基采用红外波段观测，首次把整个人马座星流在天空的位置描绘出来。3年后，英国剑桥大学的别洛库罗夫等人采用可见光波段观测发现了人马座星流有2条分支。
此后，天文学界开始大规模出现相关研究和报道，学者们竭尽全力去探寻几个关键问题——星流的产生、在三维空间中的形态等。
可用于反推银河系参数
李静、刘超等人此次的研究便聚焦人马座星流的三维形态。
“我们是首次较完善地重构了领先和拖后星流中的恒星的三维形态。”李静表示，研究人员从LAMOST数据中测量了3万颗M巨星样本恒星的速度场，通过与盖亚空间望远镜的数据结合，在三维空间描绘了人马座星流的空间轨道分布。以前“犹抱琵琶半遮面”的人马座星流更加全面地展现在人们眼前。
M巨星是恒星演化的最晚期阶段。为何选择M巨星作为“探针”？
刘超指出，M巨星亮度较高，容易在浩瀚无垠的星空中挑选出来。李静也表示，M巨星是探测银河系晕结构的非常好的天体。
在李静看来，星流三维形态的研究无论对于人马座矮星系还是银河系来说都意义非凡。该星流是2个星系共同作用的结果，星流中恒星的位置及运动轨迹能够还原银河系撕裂人马座矮星系时的力度，从而能够测量出引力大小，由此推断银河系的质量等相关参数。
研究团队还确定了人马座星流中最远的点，大约距离太阳30万光年。可想而知，银河系的质量越大，星流就会被吸引得越“紧凑”，最远点距离太阳就越近一些，反之，星流的最远点离太阳会远一些。
“最远点的30万光年暗示着银河系的质量要比人们原先设想的质量小一些。”刘超告诉科技日报记者，按照该研究成果计算，银河系质量大约为9千亿倍的太阳质量。而此前学界通常认为，银河系质量大约为1万亿倍太阳质量，而按照该质量计算，星流的最远点距离太阳20万光年左右。
对于人马座矮星系，刘超认为，研究三维空间轨道，能够更好地帮助理论家模拟矮星系被银河系瓦解的过程，当样本量足够大时，还可以推测人马座矮星系被撕裂之前的形态特征和诞生起源。
人马座矮星流堪称星系之间较为激烈的合并事件的产物，很多星系都是借助于同类手段迅速长大。“星系作为宇宙的基本元素，研究其成长规律亦是对宇宙演化过程的探索。”刘超说。
