長(zhǎng)久以來(lái),天文學(xué)家一直為銀河系的邊界爭(zhēng)論不休——它的邊緣從不是一道清晰的城墻,而是逐漸消散在星際空間里,并且,星際塵埃的遮擋以及混雜的恒星族群,更是讓這場(chǎng)邊界勘測(cè)難上加難。
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直到最近,一個(gè)國(guó)際天文團(tuán)隊(duì)換了一個(gè)新的思路:他們不探測(cè)恒星的數(shù)量,不看星光的亮度,而是通過(guò)探測(cè)恒星的年齡與星系演化模擬相結(jié)合,最終精準(zhǔn)鎖定了銀河系恒星形成盤的真正邊界。
相關(guān)研究于26年4月發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》雜志上
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探測(cè)恒星的年齡,研究團(tuán)隊(duì)選擇了一種叫做紅巨星的恒星。
這類恒星走到了生命的中后期,核心氫燃燒殆盡后進(jìn)入殼層燃燒階段,亮度極高,且其碳氮元素豐度與自身質(zhì)量、年齡強(qiáng)相關(guān),年齡測(cè)算的精度遠(yuǎn)高于其他類型恒星。
這次研究團(tuán)隊(duì)從LAMOST和APOGEE兩大地面光譜巡天項(xiàng)目中,篩選出了十萬(wàn)余顆符合要求的紅巨星,再結(jié)合蓋亞衛(wèi)星傳回的、達(dá)到微角秒級(jí)精度的恒星位置、距離與運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),給這場(chǎng)勘測(cè)上了雙保險(xiǎn)。
更關(guān)鍵的是,團(tuán)隊(duì)只挑選了那些緊貼銀河系銀道面(垂直銀道面距離小于980光年)、軌道近乎完美圓形的恒星,這就像做城市人口普查時(shí),只統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)期定居的本地居民,徹底排除了從銀河系暈區(qū)闖進(jìn)來(lái)的外來(lái)流動(dòng)恒星,這樣的篩選確保了測(cè)到的年齡趨勢(shì),完完全全來(lái)自銀河系盤本身的演化規(guī)律。
而當(dāng)把十萬(wàn)余顆恒星的年齡,按它們到銀河系中心的距離一一排列后,一個(gè)意想不到的圖案出現(xiàn)在了團(tuán)隊(duì)眼前:一條完美的U型曲線。
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按照銀河系由內(nèi)而外生長(zhǎng)的經(jīng)典理論,恒星形成從致密的銀心開始,再一點(diǎn)點(diǎn)向外擴(kuò)散,就像往水面滴一滴墨水那樣,暈開的范圍越往外,形成的時(shí)間越晚。
一開始的數(shù)據(jù)也完全符合這個(gè)預(yù)期:從銀心向外,恒星的平均年齡穩(wěn)步下降,越往外的區(qū)域恒星越年輕。
可當(dāng)距離來(lái)到銀心外約3.7萬(wàn)到4.0萬(wàn)光年的位置時(shí),趨勢(shì)發(fā)生了徹底反轉(zhuǎn),再往外圍走,恒星的平均年齡不降反升,越遠(yuǎn)的地方恒星越古老。
而這個(gè)U型曲線的谷底,也就是恒星平均年齡最年輕的那個(gè)點(diǎn),這正是銀河系恒星形成盤的真正邊緣。
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那為什么會(huì)出現(xiàn)這樣神奇的U型圖案呢?
團(tuán)隊(duì)用超級(jí)計(jì)算機(jī)的星系演化模擬,找到了背后的答案。
這個(gè)U型的谷底,正好對(duì)應(yīng)著銀河系恒星形成的截止線:在這條線以內(nèi),有充足的冷氣體和塵埃,它能持續(xù)不斷地孕育新的恒星,所以越靠近邊界的地方,新生恒星越多,平均年齡就越年輕,這就像造星的主城區(qū);可一旦越過(guò)這條線,氣體密度急劇下降,再也滿足不了恒星穩(wěn)定形成的條件,靠近銀心的造星工廠在這里出現(xiàn)了斷崖式的產(chǎn)能下滑。
那外圍的恒星又是從哪來(lái)的?
答案藏在銀河系持續(xù)了百億年的恒星遷移運(yùn)動(dòng)里。
銀河系的旋臂、中心棒狀結(jié)構(gòu)會(huì)通過(guò)引力共振給恒星持續(xù)施加影響,讓它們?cè)诒3纸鼒A軌道的前提下,一點(diǎn)點(diǎn)偏離自己的誕生地,緩慢向外圍遷移,這個(gè)過(guò)程被天文學(xué)家稱為徑向遷移。
這個(gè)過(guò)程極其緩慢,一顆恒星要漂到越遠(yuǎn)的地方,花的時(shí)間就越長(zhǎng),自然也就越古老。
模擬結(jié)果也完美印證了這一點(diǎn):無(wú)論星系有沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)小型星系合并,只要恒星形成在某個(gè)半徑處急劇下降,再加上恒星的向外徑向遷移,這就一定會(huì)出現(xiàn)這樣的U型年齡曲線。
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這次的發(fā)現(xiàn),不僅給銀河系的恒星形成盤劃下了精準(zhǔn)的邊界,也刷新了我們對(duì)銀河系演化的認(rèn)知。
我們所在的太陽(yáng)系,距離銀心約2.6萬(wàn)光年,正好處在這片造星主城區(qū)的范圍內(nèi),而我們找到的恒星形成盤邊界,就在太陽(yáng)系外約1萬(wàn)光年的位置。
不過(guò),還有一個(gè)核心問(wèn)題沒(méi)有答案:為什么銀河系的造星活動(dòng),偏偏會(huì)在這個(gè)位置驟降?
天文學(xué)家推測(cè)了幾種可能:或許是銀河系中心棒狀結(jié)構(gòu)的引力共振,給氣體的分布劃下了無(wú)形的界限;也或許是銀河系外圍的盤體發(fā)生了翹曲,就像一張被掰彎的光盤,破壞了恒星形成的穩(wěn)定環(huán)境;也可能是外圍的氣體密度太低,無(wú)法冷卻凝聚成孕育恒星的致密分子云。
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