為鯨魚座星流“畫像” 制造星流是“宇宙大廚的一場廚藝秀”

最近，紫金山天文臺常江博士、上海天文臺袁珍博士和國家天文臺趙剛研究員等人合作完成了一系列高精度動力學(xué)數(shù)值模擬，在計算機(jī)中重構(gòu)出鯨魚座星流的形成過程，并對鯨魚座星流在被銀河系吞食前的樣子做了畫像。

就像警察通過犯罪現(xiàn)場留下的痕跡還原犯罪過程一樣，該團(tuán)隊通過計算機(jī)利用大量數(shù)值模擬矮星系被各種“剝洋蔥”和“拉拉面”的過程，還原出了一個幾億倍太陽質(zhì)量的矮星系如何被銀河系慢慢吞食并留下天文學(xué)家觀測到的鯨魚座星流的過程。

制造星流是“宇宙大廚的一場廚藝秀”

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在銀河系附近有很多恒星組成的河流狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)被稱為“星流”。“星流”的形成過程非常獨特，用常江的話說，“就像宇宙大廚在為人類秀廚藝一般”。

當(dāng)矮星系(光度最弱的一類星系)被銀河系的引力捕獲后，會被銀河系吞食。但矮星系并不是被銀河系一口吞下，整個過程要歷時幾十億年。其間，矮星系內(nèi)的恒星被銀河系的潮汐力剝離出來，并慢慢融入銀河系。

“你可以將矮星系想象成一個洋蔥。”常江用常見事物向科技日報記者進(jìn)一步解釋，銀河系用潮汐作用把“洋蔥”一層層地剝開，被剝下來的“洋蔥瓣”由于能量和動量的差異會沿著軌道同時向兩邊伸長，延展出的星流就像拉面師手中的面團(tuán)，被越抻越長。

為星流“畫像”需攻克兩道難關(guān)

常江告訴科技日報記者，要為鯨魚座星流做畫像，難點有兩個：一是準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)，二是精準(zhǔn)重構(gòu)。

在以前，由于望遠(yuǎn)鏡觀測技術(shù)的限制，只能看到小質(zhì)量矮星系或者更小質(zhì)量的球狀星團(tuán)形成的細(xì)星流，即“小碗細(xì)面”。而近幾年來，隨著以我國郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)為代表的地面望遠(yuǎn)鏡和以歐空局蓋亞(GAIA)項目為代表的空間望遠(yuǎn)鏡的陸續(xù)投入使用，對星流的研究開始深入到大質(zhì)量矮星系形成的彌散星流，即“大碗寬面”。

但是，如何從恒星的海洋中將彌散星流認(rèn)證出來，也就是如何“從大鍋中把煮爛的寬面撈出來”，是一件非常困難的事情。

國外對星流的發(fā)現(xiàn)和重構(gòu)主要集中在細(xì)星流，而國內(nèi)由于擁有郭守敬望遠(yuǎn)鏡的精確數(shù)據(jù)和自主開發(fā)的兩種在動力學(xué)相空間中星流認(rèn)證的算法，因此能從恒星的海量觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)彌散星流。

得益于中國天文事業(yè)在“撈面”環(huán)節(jié)處于世界前列，接下來的數(shù)值模擬重構(gòu)過程也會比國外的其他研究團(tuán)隊快一步。

“國外在大質(zhì)量彌散星流方向的研究還很粗糙，只是給出了星流形成的模糊可能。”常江介紹，該團(tuán)隊在一年多的時間里進(jìn)行了數(shù)百次模擬，可以較可靠地給出鯨魚座星流前身——矮星系的質(zhì)量、形態(tài)以及星流開始形成的時刻等信息。“這種對星流形成過程細(xì)節(jié)上的深入研究在國外的同類研究中是沒有的。”常江說。

或可推動對銀河系形成歷史的認(rèn)識

銀河系是人類所處的“島宇宙”，包含了約1000億顆恒星，范圍超過5萬光年。對銀河系的形成、演化、整體結(jié)構(gòu)以及銀河系近鄰宇宙學(xué)的研究一直是天文學(xué)的重點和前沿。

相對于“小碗細(xì)面”的局限性，“大碗寬面”是處于趙剛提出的關(guān)于星流形成三階段理論的第二和第三階段的星流——它們形成時間更長，空間范圍更大，不僅包含了大范圍銀河系結(jié)構(gòu)的信息，還可以反映銀河系更為久遠(yuǎn)的歷史。

“研究‘大碗寬面’可以讓我們不論在空間上還是在時間上都會對銀河系有更為全面的認(rèn)識，讓我們更清楚人類所處的這個‘島宇宙’是如何形成的，又如何通過吞食周圍的氣體和矮星系慢慢成長為現(xiàn)在的模樣。”常江說。

最近，美國等國的研究團(tuán)隊陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了和鯨魚座星流有關(guān)的恒星結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)要么可能是鯨魚座星流的一部分，要么可能受到鯨魚座星流形成過程的擾動。這表明，對鯨魚座星流的發(fā)現(xiàn)和重構(gòu)或可進(jìn)一步推動人類對銀河系形成歷史的認(rèn)識。(何 亮)