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国家天文台科研团队在银河系星流领域取得重要研究进展

发表日期:2017-11-02来源:放大 缩小

  近期,国家天文台赵刚研究员领导的研究团队依托我国大科学装置的LAMOST银河系光谱巡天数据,在运动学和化学空间发现了银河系并合形成的新证据。他们在运动学空间发现了7个源自银河系并合过程的新星流,占国际同类发现总数的一半。在化学空间,他们发现了33颗丰度不同于普通恒星的所谓“低α丰度恒星”,是国际同类发现总数的两倍。这些星流和低α丰度恒星被认为源自于银河系附近的矮星系。这些系统的观测研究结果发表在国际著名天文杂志《天体物理学报》等一系列国际核心刊物上。 

  星流是指具有共同本质特征(位置、运动学或化学性质)的一群恒星,因其在空间中呈现长条形水流状分布得名。这7个新星流和来自其它星流的“低α丰度恒星”已经遭到了银河系巨大的引力势重创,在空间位置已经无迹可寻,被完全打散了,因此探测难度极高。《天体物理学报》审稿人这样评价:“这篇写得很好的论文探讨了对银河系化学演化模型极其重要的观测限制。”“这项研究工作展示了LAMOST相关研究的早期成果,是该巡天项目的一个重要里程碑。” 

  基于这些新星流观测特征,赵刚等人提出了潮汐星流的形态学理论。他们认为星流一般随时间演化要经历三种形态:早期形态,中期形态,晚期形态。当星流处于早期形态时,它们在物理空间上还是聚集在一起,观测的图像上会显示出一条密度带。这种空间成团的星流通过成像观测,并采用简单的滤波匹配技术,就很容易被发现。当星流演化到中期形态时,由于经历了长期的银河系潮汐力的扭曲和瓦解,空间成团性遭到了严重破坏,它们的成员星隐藏在银河系的各个角落,因此探测难度大大增加。只能通过小波技术等先进方法,才可能探测到在运动学空间上有密切相似性的成员星。到了演化晚期形态,星流的成员星完全游弋于银河系浩渺的场星之中,只有通过细致的光谱分析获得它们携带的母星系的化学印迹,就像做DNA鉴定,才能识别出来。 

  中晚期星流的探测被称为“难啃的骨头”。赵刚研究团队利用国外的巡天数据,通过核函数与小波分析技术的结合,在太阳邻域探测到了22个星流,其中有11个是新发现的,文章以快报的形式发表在著名期刊ApJ后,受到了广泛的关注和好评。加拿大银河系天体物理研究委员会主席Bovy教授认为“Zhao 等人(2009)探测到的运动学星流是真实的”。德国天文学家Popova指出“他们探测的移动星群是最完备的”。赵刚研究团队还发展了一套系统的化学方法探测晚期形态星流的方法。这个方法可以形象地比喻成‘通过化学DNA做亲子鉴定,帮助这些恒星孤儿找到自己的亲生父母’。LAMOST探测到的其中一个星流,LAMOST-N1,已经在日本8米昴星团望远镜进行了后续观测。通过化学丰度分析逐步还原,发现它的前身可能是来自银河系附近稍大一点的矮星系。银河系中晚期星流的搜寻观测不仅可以帮助人们探知更多有关星系形成的秘密,而且通过对星流轨道的分析还可以建立起银河系精确的引力势和质量分布。 

  这些中晚期星流与天文学一个著名的问题--“矮星系缺失之谜”--关系密切。理论模拟表明,银河系中可能存在着几百个星流,但在银晕中只观测发现14个运动学空间成团的星流。 即使加上空间成团的几十个星流,观测与理论在星流数量上还是存在巨大的量级差别。这个问题是并合模型作为星系形成主流理论的致命缺陷,使得银河系形成问题变得更加扑朔迷离。依托我国大科学装置的LAMOST银河系光谱巡天数据,赵刚研究团队新发现的星流不仅一定程度上缩小了理论与观测的差距,而且证实了潮汐瓦解的星流在经历十几亿年的演化后仍然可以在运动学空间找到它们具有共同起源的痕迹,从而开辟了利用大型光谱巡天数据在运动学空间探测星流的新方法。赵刚研究团队的这些研究成果向世界展示了LAMOST望远镜在银河系研究方面的巨大优势和潜力。可以期待,利用LAMOST并结合GAIA即将释放的新数据,他们将会在不久的将来探测到更多的星流,并逐步揭开银河系形成的神秘面纱。 

对银河系吸积近邻矮星系的数值模拟图像,图中显示了两个存活的矮星系,其余矮星系已被银河系的潮汐力完全瓦解,这些矮星系中的恒星形成吸积的遗迹--星流。 

运动学空间小波变换系数分布图。LAM_N1-LAM_N7表示利用LAMOST数据探测到7个新的中期形态的星流。

 

α丰度([Mg/Fe])随着金属丰度([Fe/H])的演化图。 红色方框表示在LAMOST数据中探测到33个低α丰度的恒星,他们属于晚期形态星流的成员,需要借助详细的化学丰度分析才能识别他们的母星系。

 

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