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张孟飞:描绘银河系结构分几步
2017年10月26日 09:54 来源:《科技日报》 作者:张孟飞 字号

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  银河系如同人类“最熟悉的陌生人”。经过200多年的努力,我们仍未完全看清它的容颜。一项最新研究成果,让我们离银河系真容更近一步。

  晴朗的夜晚,仰望星空,会看到一条乳白色的亮带贯穿夜空,这便是包括太阳在内的千亿颗恒星的栖身之地——银河。

  从200多年前起,人们开始试图弄清银河系的结构。

  这并不简单,不仅因为我们身在其中,也因为各种星际介质干扰着人们视线、遮蔽着银河系的本来面目。

  近日,国家天文台研究人员测得最新银河系氢柱密度与光学消光比率,这项工作将有助于认识星际介质,是理解银河系结构征途中的至关重要的一步。

  太阳并非银河中心

  17世纪,伽利略把望远镜对准天空中乳白色的亮带,发现这是一片恒星密集的区域。18世纪中叶,英国人赖特提出了银河系的猜想,认为银河系像个扁平的透镜,太阳只是其中的恒星之一。

  第一个为银河系画像的人,是英国人威廉·赫歇尔。这位18世纪的天文学家制作了当时最大的望远镜,发现了天王星。他同样关注恒星世界。在多年观测后,他根据天空中各个方向的恒星数量,于1785年画下了一幅银河系结构图。由于无法测定遥远恒星的距离,赫歇尔假设天空中所有恒星具有相同的发光本领,并根据实际观测到的恒星亮度来估计它们到地球的距离。他得到的银河系“画像”扁而平,具有不规则轮廓,太阳位于银河系中央。赫歇尔用统计法首次确认了银河系为扁平状圆盘的假说,从而初步确立了银河系的概念。

  1906年,荷兰天文学家卡普坦提出“选区计划”,重新研究银河系的结构。他得到的银河系模型与赫歇尔类似:太阳居中,中心的恒星密集,边缘稀疏。

  几乎与卡普坦同时,美国天文学家沙普利对银河系结构也展开了研究。造父变星的发现,使科学家有可能精确测定天体的距离。沙普利根据球状星团中造父变星的光变周期,确定它们到地球的距离,进而从球状星团的分布来研究银河系的结构和大小。1918年,沙普利提出,银河系是一个透镜状的恒星系统,其中心位于人马座方向,而不是太阳系。后来的观测逐渐证明,沙普利的模型较为接近真实的银河系,因而被沿用至今。

  星际尘埃是个“核心人物”

  得到银河系的真实结构并不容易。按照沙普利的估算,银河系的大小为30万光年。按照当时的技术水平,这已是非常精确的估算。然而,这个数字是现代测量的银河系大小的3倍。其中原因,是沙普利忽略了星际介质对星光的消光作用。

  宇宙空间中到处都充斥着星际介质。天体发射的光在到达地球前,会被星际介质吸收或者散射掉一部分,从而导致我们观测到的天体亮度比预想的要暗,这个过程通常被称作星际消光。而银河系在光学波段那朦朦胧胧的图像,就是消光存在的关键证据。因此,研究星际消光是获得银河系结构的重要步骤。而由于不同的成分会对星光产生不同的消光值,消光研究也可以帮助我们深入理解星际介质的组成成分。

  了解银河系结构,就是研究各种物质在银河系中的分布。星际介质在对银河系结构的研究中,有着举足轻重的作用。在光学波段,消光主要由星际介质中的尘埃产生,消光大小受到尘埃的总质量、成分组成和尺寸的影响。而在X射线波段,未完全电离状态的重元素会吸收部分辐射。

  因此光学波段的消光(用V波段的消光表征)可以用来揭晓星际介质中的尘埃成分。由X射线吸收(用氢柱密度表征)可以得知星际介质中重元素的分布,进而根据星际介质中的重元素与氢元素的特定比例关系,获得处于原子、分子和电离三种状态氢元素的总量。通过这两个波段的观测,科学家不仅可以知道相应的银河系结构,而且可以研究尘埃成分与气体成分的相互关系。这也是银河系氢柱密度与光学消光比率这个参数备受关注的原因。

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