10萬×10萬光年的全新銀河系結構圖誕生，該圖是迄今最精確的銀河系結構圖，清晰地展示了銀河系是一個具有四條旋臂的棒旋星系，徹底解決了銀河系究竟有幾條旋臂這個天文學中長期懸而未決的重大科學問題。近日，《科學美國人》刊登了南京大學和哈佛大學科學家歷經15年時間研究完成的這一成果。這張銀河系結構圖是怎樣繪製出的，又有哪些看點？歷史上人類對銀河系的研究經歷了哪些階段？一起來了解一下。
“不識廬山真面目，只緣身在此山中”
銀河系結構是天文學的重大科學問題之一。“這是因為銀河系的直徑估計約為10萬至18萬光年，而我們的太陽系離銀河系中心很遠，且位置接近銀道中心面，因此我們所看到的旋臂都重疊投影在天球上而無法分辨。”南京大學天文與空間科學學院鄭興武教授說。
“不識廬山真面目，只緣身在此山中。”勾畫銀河系結構難道沒有辦法了嗎？辦法還是有的，如果能精確地測定旋臂上足夠多的天體到太陽的距離，也完全能從內到外勾畫出銀河系的旋臂結構。但鄭興武也指出，銀盤上分佈著濃密的塵埃氣體，對銀河系旋臂上天體的光學輻射產生非常嚴重的消光，即使用大光學望遠鏡也只能看清銀盤上6000光年以內的天體，這遠遠小於銀河系的大小。
20世紀50年代射電和紅外天文學興起，使得人類開始真正廣泛深入地觀測和研究銀河系的結構。天文學家用射電和紅外望遠鏡發現，銀河系旋臂上的大質量恆星形成區中，除有光學輻射的天體之外，還有更多的、在光學不可見的射電和紅外天體以及孕育它們的分子氣體和塵埃，它們都可以作為銀河系結構的示蹤天體。更重要的是，射電和紅外輻射能穿透銀道面上濃密的塵埃，讓我們直達銀河系的邊緣。
經過近半個世紀的觀測和研究，天文學家普遍認為銀河系是一個棒旋星系。然而，由於不能準確測定大質量恆星形成區中年輕天體的距離，銀河系結構的一些最基本的問題仍沒有解決，如銀河系究竟有幾條旋臂、太陽在銀河系中的精確位置和運動等。
銀河系是普通星系懸臂勻稱而美麗
此次《科學美國人》刊登的封面文章題為“銀河系新視野”，文章內容反映的是中外科學家組成的國際團隊對銀河系結構潛心研究成果。
據介紹，這篇文章是由美國哈佛-斯密松天體物理中心資深天文學家、美國科學院院士M.裡德（Mark Reid）和鄭興武聯合撰寫的，總結了他們兩人及德國馬普射電天文研究所K.門滕（Karl Menten）教授帶領的國際團隊對銀河系結構潛心研究成果。
可以說，最精確銀河系結構圖的誕生，得益於該團隊用甚長基線干涉（Vary long baseline Inter‐ferometry）技術精確測量位於銀盤上近200個大質量恆星形成區的距離和自行，從而得到銀河系旋臂的結構、太陽系的位置以及它繞銀河系中心旋轉的速度。
“脈澤源是一種亮溫度超過億度甚至萬億度的宇宙激光點源。從2003年開始，研究團隊測量了銀盤上163個大質量恆星形成區中脈澤源的距離和自行，結合國際上其他團組測量的37個脈澤源，共獲得了銀河系中近200個大質量恆星形成區的距離和自行。”他表示，這些大質量恆星形成區在銀盤上的分佈清晰地勾畫出4條主旋臂，它們分別是英仙臂、人馬-船底臂、矩尺臂和盾牌-半人馬臂；再結合紅外、一氧化碳和大量年輕天體的觀測資料，最終繪製出了銀河系結構圖，它是一個具有4條旋臂的棒旋星系。
“在較亮的河外星系中，棒旋渦星系是一個大家族，我們的銀河系是一個普通的星系，也是一個旋臂勻稱美麗的星系。”鄭興武解釋，我們居住的太陽系不在4條主旋臂上，而非常接近獨立於這4條主旋臂的一條本地臂（Local Arm）上。這條本地臂位於英仙臂和人馬-船底臂之間，長度約為20000光年，比以前估計的要大得多，它的形狀和包含豐富的大質量恆星形成區可與其他4條主旋臂類比，本地臂或許不是孤立的臂段，極有可能是鄰近英仙臂和人馬-船底臂的一部分。
至於太陽在銀河系中的精確位置和運動，鄭興武說：“太陽離銀河系中心距離為26000光年，繞銀心旋轉速度為236千米/秒，即繞行一週大約要2.12億年，太陽幾乎在銀盤的中心平面上，距中心面垂直距離約為20光年，比以前的估計值82光年要小。”
參與賽貝爾計劃培養年輕天文學家
一項成果的誕生，更是潛心研究的結果，是一項項突破慢慢積澱起來的。最精確的銀河系結構圖的誕生，就得益於重大科學計劃的實施。
早在2003年，南京大學天文與空間科學學院徐燁博士、鄭興武教授以及美國哈佛-斯密松天體物理中心裡德博士和德國馬普射電天文研究所門頓教授的合作，就利用甚長基線干涉技術首次成功地精確測量了英仙臂大質量恆星形成區的三角視差和自行，得到該大質量恆星形成區的距離為6360±40光年，測量精度高達2%，這是有史以來對如此遙遠的天體精度最高的距離測量。
“從該脈澤源的自行和視向速度，可以獲得這個大質量恆星形成區在銀河系裡的三維運動狀況，研究銀河系旋臂的運動學性質。”鄭興武說，這項工作預示了直接測量銀河系旋臂結構和運動的可行性。該成果在2006年1月以封面論文在《科學》上發表。該研究是促成重大科學計劃--貝塞爾計劃的開創性工作，此後中國成員提出和參加了前導實驗觀測，研究結果為實施貝塞爾計劃打下了堅實基礎。
21世紀初，由中國（6位）、美國（3位）、德國（3位）、意大利（3位）、荷蘭（3位）、韓國（2位）、日本（1位）和波蘭（1位）共8個國家22位天文學家籌劃建立了“銀河系棒和旋臂結構遺珍巡天”（中英文簡稱分別為“貝塞爾”和BeSSeL）重大科學計劃。
貝塞爾計劃研究團隊中的中國成員來自南京大學、紫金山天文臺、上海天文臺和國家授時中心。15年來，中國團隊本著共同發起、共同組織、資源互補、成果共享的原則在貝塞爾計劃中發揮了重要作用。貝塞爾計劃用等效口徑大小為地球直徑的甚長基線干涉陣，採用幾何三角視差方法直接測量大質量恆星形成區中脈澤源的距離和自行。
到2019年底，在貝塞爾計劃的163個目標脈澤源中，中國的天文學家觀測分析了其中85個源。貝塞爾計劃在國際知名的天文和天體物理刊物上發表了35篇論文，其中中國天文學家發表了16篇論文。通過參加該重大科學計劃，助推了我國甚長基線天體測量學科的發展，培養了年輕天文學家，使他們走在國際甚長基線天體測量學科的最前列。
來源：江蘇科技報 記者：夏文燕；通訊員：齊琦
