上海天文臺揭秘銀河系核球的X型結構

　　我們所居住的銀河系如何演化成它現在的樣子，它未來的命運又將怎樣，是目前天文學研究的熱點領域之一。銀河系是一個由中心核球、銀盤及暗物質暈構成的大質量旋渦星系。旋渦星系的核球與中心超大質量黑洞緊密相關，理解銀河系的核球對于構建整個銀河系演化的圖景至關重要。

　　近幾年來，中國科學院上海天文臺星系宇宙學研究中心研究員沈俊太領導的星系動力學團組發表了一系列有關銀河系核球方面原創性的研究工作。他們構建了高精度的銀河系多體數值模擬模型，對銀河系的核球結構做出了嶄新的全面認識，提出了銀河系核球是個“偽核球”，基于模擬對觀測上看到的X型結構進行了軌道分析，并“實驗”檢驗出X型結構可能是核球中三維花生狀結構的視覺效應。這一系列工作均發表在國際核心期刊《天體物理雜志》（ApJ）及《天體物理雜志快報》（ApJL）上，并得到了美國國家光學天文臺首頁報道，也被國際同行廣泛引用。

　　 2010年，沈俊太基于高精度多體模擬研究了銀河系核球的動力學結構，他發現一個棒旋星系模型與核球的眾多觀測數據吻合得極好，這表明了銀河系核球其實就是側面看到的棒；它主要是由原初的星系盤通過自身動力學不穩定性增厚而產生的“偽核球”（Shen et al. 2010）。所謂的“偽”，是相對于經典核球而言——經典的星系形成理論預言核球應該是在星系并合過后產生的。

　　這一結果得到了該團組的進一步證實。觀測上，許多側向的河外星系都有類似的盒狀或X型核球（如圖1）。該團組對此前發表的銀河系核球模型進行了更仔細的分析，發現模型中也存在一個顯著的X型結構，其與銀河系的觀測數據符合得很好（Li & Shen, ApJL, 2012）。

　　這一發現使得他們可以利用數值模擬來“觀測”盒狀核球的形成過程。他們發現，棒結構的屈曲不穩定性扮演了重要的角色——若棒中恒星在垂直方向上速度分布比較集中（即速度彌散過小），就會觸發這樣的不穩定性過程，結果棒結構中央部位經過若干次垂直向上的振蕩后會迅速隆起，產生了從側面看到的盒狀甚至X型結構。“但是，關于這個奇特X型結構的具體三維空間形態、主要的軌道組成以及動力學性質等仍然存在很大的爭議。這是我們團組得到這一發現后準備繼續攻關的方向。”沈俊太說。

　　近日，沈俊太團組剛剛在國際核心期刊上發表的兩篇系列論文利用銀河系棒/核球數值模型分別研究了X型結構與棒的動力學特性（秦雨靜等2015，ApJ）及其三維空間形態（李兆聿與沈俊太，2015，ApJL）。

　　 第一項研究進展由碩士研究生秦雨靜在研究員沈俊太與副研究員李兆聿的指導下完成，他們驗證了帶有X型結構的盒狀核球確實有規可循——源于棒結構中的恒星運動，指出先前理論工作推測的“香蕉型”軌道家族可能并非X型結構的主要組成部分，并提出了可供未來的銀河系巡天觀測驗證的理論預言。

　　 “假設觀測者在太陽的位置上，他將看到銀河系X型結構中的恒星如何運動呢？我們模擬了這位觀測者將看到的恒星運動”，秦雨靜說，“我們發現，模擬結果與現有的觀測定性上吻合得很好：在棒的近端，有更多的恒星朝向觀測者運動；而在棒的遠端，則有更多的恒星遠離觀測者而動。”

　　他們還發現恒星視向速度與銀經方向的自行也存在明顯的相關性。這表明，模型中的恒星運動呈現出一定的整體規律。這樣的結果可以用棒結構中恒星運動的軌道家族來解釋。先前的理論工作推測，盒狀核球與X型結構可能與一類特殊的恒星軌道家族——“香蕉形”軌道有關聯。倘若盒狀結構由這類軌道構成，那么這些恒星在銀緯方向的自行與視向速度則可能存在一定的相關性。然而，模型中的恒星運動沒有出現預期的相關性，這表明“香蕉形”軌道可能并非X型結構的主要組成部分。支持X型結構的恒星軌道家族仍然有待后續研究。

　　 “我們還檢驗了另外兩項與X型結構相關的國際同行的工作：其中一個工作認為X型結構可以用來確定太陽到銀心的距離。我們驗證了這一方法的可行性。而另外一項工作嘗試以X型結構中恒星的運動來估計棒結構的轉動速度，但我們的研究則表明這樣的方法不能得到準確的結果”，沈俊太表示。

　　“當前國際上已經規劃實施了若干針對銀河系結構與動力學的巡天觀測項目，而我們在核球動力學方面的模擬工作為這些巡天計劃提供了可供比對的理論預言。實際上，這一工作的部分預測已經得到了獨立觀測結果的驗證，例如，模型顯示銀河系核球區視向速度彌散的分布在銀緯方向被拉長（圖2），而類似的觀測結果已經在智利的GIBS巡天中得到驗證。”秦雨靜說。

　　另一個工作由李兆聿與沈俊太合作完成。他們對觀測到的X型結構的內秉空間形態提出了合理的新解釋。“我們已知道棒結構的屈曲不穩定性在X型結構的形成過程中起到了重要作用，但細節并不是很清楚，”李兆聿說，“所以我們假設棒結構經歷了不同程度的不穩定性，然后去模擬各自演化的結果。”他們分析了三種情況下的三維密度分布。他們發現，從正向看，密度相同的面（等密度面）均呈橢圓形，而在側向，等密度面隨半徑變化：從最內區的盒狀結構，到中間區鼓起的花生狀核球，再到最外圍延展的薄棒（圖3及所附動畫）。

　　 “通過分析不同半徑處的等密度面，我們無法找到一個類似于字母X的清晰結構。這似乎與我們從觀測與模擬中得到的直觀感受不符。”李兆聿說。他表示，X型結構很可能是花生核球所產生的一個視覺表象，在花生核球內區疊加在一起的凹陷的等密度面放大了X型結構在視覺上的效應（圖3）。“花生核球本身即可定性地重構出觀測到的恒星距離分布的雙峰現象，” 沈俊太表示，“該現象也正是被之前的觀測者作為X型結構存在的主要證據，而這種結構真正的三維空間形態應該是花生狀。”

　　 該工作還首次在棒的中心區發現了一個側向的盒狀結構，它延伸出銀盤面大約1600光年（對應銀緯約為4°）。但由于銀河系核球中心區的觀測存在很多的不確定性（如塵埃消光、前景星的影響等），對其證認和識別還存在著較大的挑戰。

　　 上海天文臺星系動力學團組的核球系列論文在短短幾年內已被國際同行引用兩百余次，并且被眾多權威綜述論文以及劍橋大學主編的國際參考書收入并配發原圖。鑒于這些工作的國際影響力，沈俊太和李兆聿還應邀為國際學術專著《星系核球》撰寫了關于銀河系核球的理論模型的一章（該書已由歐洲Springer出版社在2015年末正式出版）。