銀河系有一個標(biāo)志性結(jié)構(gòu)——旋臂，由大量年輕的恒星、濃密的氣體和塵埃組成，是恒星形成的“搖籃”。
中國科學(xué)院紫金山天文臺研究團(tuán)隊，基于“銀河畫卷”一氧化碳分子氣體巡天數(shù)據(jù)，更新了外銀河系旋臂圖像，拓展了人們對銀河系的認(rèn)知。新圖像覆蓋了銀盤面上約2/3方位角、銀心距約8-26千秒差距范圍內(nèi)的分子氣體旋臂結(jié)構(gòu)，較以往同類觀測擴(kuò)大了約1.5倍。
01
旋臂壯美難“測”
借助河外旋渦星系的觀測，天文學(xué)家可以清晰地看到，旋臂在不同波段的圖像中展現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)并不完全相同。這種差異印證了一個重要理論——密度波理論。
密度波理論，即旋臂并不是固態(tài)的“物理結(jié)構(gòu)”，而是恒星和氣體在星系盤面中形成的動態(tài)“高密度區(qū)域”，組成旋臂的恒星和星際介質(zhì)并非始終處于旋臂中，而是不斷變化。
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▲恒星（彩色背景），原子氣體（彩色背景）和分子氣體（綠色等值線）示蹤的河外旋渦星系M51盤結(jié)構(gòu)（Vlahakis et al. 2013）
旋臂不僅是銀河系的“形象代表”，更是其“心臟”所在，它們深刻影響著星際介質(zhì)和恒星的物質(zhì)循環(huán)。 然而，觀測銀河系的旋臂并非易事。
人類僅能從內(nèi)部“窺探”銀河系盤面的結(jié)構(gòu)，無法俯瞰全貌。基于此，實現(xiàn)銀河系旋臂的觀測需要兩大條件：
一是“廣”覆蓋——需要大規(guī)模、高效率的巡天觀測和長時間的數(shù)據(jù)積累。
二是“深”探測——射電波段觀測是目前已知可穿透塵埃，捕捉到更遙遠(yuǎn)區(qū)域的觀測手段，但繪制完整的盤面圖仍需要極高靈敏度的設(shè)備。
02
“銀河畫卷”
揭開銀河系外圈的秘密
一直以來，在射電波段，示蹤原子氣體的氫（HI）和分子氣體的一氧化碳（CO）是兩種重要的觀測“探針”。CO受湍動等因素影響較小，因而繪制出的旋臂圖像比HI旋臂圖像更加清晰。受限于以往CO巡天的靈敏度和分辨率，所揭示的銀盤范圍還遠(yuǎn)未到銀盤邊緣。
為了更清晰全面了解銀河系分子氣體分布，中國科學(xué)院紫金山天文臺的科學(xué)家們利用德令哈13.7米毫米波望遠(yuǎn)鏡，實施了CO巡天項目——“銀河畫卷”計劃?！般y河畫卷”計劃自2011年至今已累積覆蓋了2000多平方度的銀盤區(qū)域。
根據(jù)觀測，科學(xué)家重新繪制了銀河系太陽半徑以外的分子氣體分布圖，揭示了外太陽圈的三段旋臂結(jié)構(gòu)。這些旋臂的長度從16到43千秒差距不等，最遠(yuǎn)延伸至HI盤的邊緣地帶。
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▲左：CO巡天觀測的外太陽圈分子氣體表面密度投影俯視圖；右：CO與其他示蹤天體得到的旋臂結(jié)構(gòu)模型比較
其中，距離較近的英仙臂和外臂結(jié)構(gòu)尤為清晰，觀測圖像清晰展現(xiàn)了旋臂與旋臂間物質(zhì)密度分布的顯著差異，并呈現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)分布的特征。在銀河系盤的邊緣，約1306個分子云很好地描繪了最遙遠(yuǎn)的旋臂結(jié)構(gòu)，即外盾牌——半人馬臂，這些分子云連接了近年發(fā)現(xiàn)的第一象限新旋臂段與第二象限新旋臂段，并可能將這一遙遠(yuǎn)的旋臂延伸至更遙遠(yuǎn)的第三象限。 相關(guān)研究成果發(fā)表在《天體物理學(xué)快報》（Astrophysical Journal Letters）上。
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▲銀盤邊緣的1306個分子云疊加在銀河系結(jié)構(gòu)遐想圖（背景圖credit：Xing-Wu Zheng & Mark Reid BeSSeL/NJU/CfA）
03
更多未解之謎待解
盡管新CO巡天數(shù)據(jù)為銀河系分子氣體分布提供了一幅徑向方向覆蓋范圍更廣、細(xì)節(jié)更清晰的鳥瞰圖，并拓展了我們對銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，但銀河系旋臂的研究仍有許多未解之謎。
從塵埃與氣體中孕育出恒星，再到恒星的能量回饋形成新結(jié)構(gòu)，這種循環(huán)正是宇宙最迷人的景象之一。未來，期待科學(xué)家們揭示更多關(guān)于銀河系的秘密，將這幅“銀河畫卷”繪制得更加完整和精彩！
文章鏈接：
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad9605
來源：中國科學(xué)院紫金山天文臺
責(zé)任編輯：曹旸