外暈中的恒星運動揭示銀河系演化的新線索

米老鼠64 2013-03-12

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2013.2.21：借助美國宇航局（NASA）的哈勃太空望遠鏡,，天文學家深入廣袤的銀暈,，發(fā)現(xiàn)了誘人的證據(jù)表明，可能存在一片恒星殼層,，它們是被銀河系吞噬的（矮星系）遺跡,。

示意圖：哈勃觀測M31發(fā)現(xiàn)銀暈恒星的運動，大圖下載：12.5MB,，版權：NASA,，ESA；STScI,，原作者,，下同。

哈勃用于精確地測量,，首次確定遠離銀河系核心的一小片恒星樣本區(qū)域的運動速度,。它們與眾不同的切向速度，間接證明了它們是數(shù)十億年前被銀河系的引力撕裂的星系殘骸,。這些恒星說明：銀河系的成長,，部分是通過吞并小星系實現(xiàn)的。

馬里蘭州巴爾的摩市太空望遠鏡科研所的Roeland van der Marel介紹說：“借助哈勃的獨特能力,，天文學家能夠揭示星系遙遠過去的線索,。越是星系的遠郊，演化得越慢,。銀河系外圍迄今還保存著很久前事件的信息,。”

他們還提供了一種測量我們星系的“隱藏”質量——暗物質的新方法,。暗物質是一類既不發(fā)射也不吸收輻射的特殊物質,，因此是“暗（Dark）”的,。在千億個星系中，銀河系離我們最近,，因此也是詳細研究星系歷史,、結構體系的最佳場所。

由加州大學圣克魯茲分校的Alis Deason和Roeland van der Marel領銜的天文學家團隊,，在離銀心約8萬光年的外暈中,，鑒別出13顆恒星，它們都非常古老,，可追溯到我們星系誕生的年代,。

團隊驚訝于這些恒星的運動幾乎都偏向一個方向，與預期的方向幾乎相切（或垂直）,。它們的運動與離太陽較近的暈族恒星運動有很大差別——它們的運動主要在視線方向（徑向）,，即先朝向銀河系核心運動，然后又返回遠方,。這些恒星的切向運動可以用8萬光年處存在高密度恒星來解釋：就像高速公路上有車逆行導致?lián)矶乱粯?，這些恒星將形成類似殼狀結構，這在我們周圍的星系團中可以找到案例,。

Deason和她的團隊從哈勃對鄰近星系——仙女座大星系（M31）7年來的觀測數(shù)據(jù)庫中,，揪出了這些銀暈中的古老恒星。在觀測數(shù)據(jù)中,，哈勃透過銀河系外暈觀測20倍遠的M31,，相對于研究對象M31而言，這些恒星相對于一個前景星團,。但對Deason團隊而言,，它們卻是真金白銀：該項觀測提供了研究銀河系外暈恒星運動的唯一機會。

PDF中的插圖,，顯示在赫羅圖中,，M31背景前方的銀暈恒星，它們在同等顏色下,，顯得更亮（距離近嘛?。Ｈ齻€圖分別對應M31的核球,、星系盤和外圍星流,。

要找出這些恒星是項細活：每幅哈勃圖像都包含10萬顆以上的恒星，MarelDeason解釋說：“我們必須找出在無數(shù)群星中搜尋少量銀暈恒星的方法,，它就像在干草堆中找針,。”

天文學家通過顏色,、亮度和切向速率鑒別出銀暈中的恒星,。因為離我們近得多,，這些恒星比M31中的背景恒星快得多。團隊成員,、太空望遠鏡科研所（STScI）的Sangmo Tony Sohn通過測量它們的很小的切向速率及方向辨認銀暈恒星,，并統(tǒng)計了數(shù)量。這些恒星在天球的運動速率約為0.001角秒/年,，相當于月球距離的一個高爾夫球,，一個月只移動了一英尺（約0.3米）。盡管如此,，基于哈勃的超級分辨率和極高的儀器一致性,，本研究的測量精度仍舊達到5%,。（譯注：哈勃的定位精度為0.007角秒,，而本文中用于研究的ACS、WFC3圖像分辨率為0.04角秒）
Marel解說道：“本項觀測能夠完成,，是哈勃超級精度,、多年觀測數(shù)據(jù)累積和望遠鏡長期穩(wěn)定性的結合。因為哈勃位于太空,，它不受引力,、空氣、風,、地震等各種干擾因素的影響,！”

位于內銀暈的恒星具有高偏心率的軌道。但當團隊比較本例中外暈恒星的切向速度和徑向速度,，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)兩者是相當?shù)?。星系演化的計算機模擬通常顯示，恒星越向外暈運動,，徑向速度所在比例越高,；而本案的觀測卻顯示了相反的結果。對此發(fā)現(xiàn)的貌似合理的解釋是：銀河系暈中存在恒星殼層,。這種殼層可以通過吞并伴星系而形成,。這與理論設想的演化圖景相符：銀河系通過吞并伴星系而持續(xù)成長。

河外星系帶有殼層的案例,，本圖所示為一個橢圓星系,，位于室女座星系團中。

哈勃研究項目中的有13顆恒星,，幾乎位于同樣的距離,，因此組成了高密度的星團。團隊還比較了斯隆數(shù)字巡天項目（SDSS）的數(shù)據(jù),，發(fā)現(xiàn)在三角座和仙女座方向,，也存在著類似的暈族恒星,。隨著距離的增加，恒星數(shù)量直線下降,。

Deason立刻想到,，這兩個研究結果不僅是一致的這么簡單。她解說道：“這些恒星運動速度如此之慢,，一種碰巧的可能是它們處于遠心點——離銀河系核心最遠的位置,。在它們進出銀河系內部的軌道上，它們因減速而堆積在一起,。因此,，徑向速率因減小而與切向速率相當?！?br>
某些星系的暈中包含恒星殼層,，而天文學家預期銀河系也可能有。但迄今為止,，證據(jù)很少：因為銀暈中的恒星散布在整個天空,，又很暗，故此難以確認,。

受本項成功研究的鼓勵,，團隊希望在哈勃數(shù)據(jù)庫中搜尋更多的遙遠暈族恒星。Deason說：“這項意外發(fā)現(xiàn)點燃了我們搜尋更多類似恒星的興趣,，以確認此事屬實,。我們當前還只有很小的樣本數(shù)，隨著我們獲得更多的數(shù)據(jù),，研究成果將變得更加強壯,、可信?！? 在整個天空中,，仙女座大星系僅覆蓋了“針眼”這么大的區(qū)域。

團隊目標是拼合出銀河系歷史的清晰圖像,。當知道更多暈族恒星的軌道和運動速率后,，我們還能更精確地分析銀河系的質量。Deason總結道：“迄今為止,，我們缺少的正是關鍵的數(shù)據(jù)：恒星的切向速度,。它能幫助我們更準確地測量銀河系的質量分布——主要由暗物質控制。通過星系的質量分布,，我們能夠了解它是否與構造結構的理論預期相符上,。”

團隊研究報告將刊登在即將出版的《天體物理學》期刊上,?？茖W家團隊成員包括：加州大學圣克魯茲分校兼萊克天文臺的A. Deason和P. Guhathakurta,；馬里蘭州巴爾的摩市太空望遠鏡科研所的R.P. van der Marel、S.T. Sohn 和 T.M. Brown,。