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银河系核球区的高速恒星从何而来?——上海天文台利用最新斯隆数字巡天结果研究银河系核球区高速度恒星的起源
2017-11-28 | 编辑: | 【】【打印】【关闭

  近日,以中国科学院上海天文台沈俊太研究员课题组为首的国际团队对银河系核球区恒星的速度分布和化学组成进行了研究,探寻核球区高速度恒星的起源,并取得了新的重要进展。目前该工作已经发表在天文学国际核心期刊《天体物理杂志》(ApJ)上。 

  一、上海天文台首次利用APOGEE数据得到重要科学成果 

  据该工作的第一作者、上海天文台的博士研究生周颖颖介绍,他们的工作使用了APOGEE项目的数据。作为斯隆数字巡天四期(SDSS IV)的三个项目之一,APOGEE利用高分辨率高信噪比的红外光谱仪对银河系的恒星进行观测,受星际尘埃消光的影响比较小。APOGEE观测了约十万颗红巨星,巡天范围覆盖了核球/棒、银盘和银晕区域。APOGEE不仅提供了这些恒星精确的视向速度、表面重力加速度和有效温度等恒星参数,还提供了15种化学元素的含量,这些数据可以帮助天文学家们更深入地刻画银河系的动力学结构以及化学演化历史。上海天文台也是SDSS IV项目的参与单位之一,这篇论文也是上海天文台首次利用APOGEE数据得到重要科学结果。 

1APOGEE所观测的核球天区的位置分布,展示在WISE红外卫星观测的银河系核球区背景图像上。红色标记的是显示出高速峰的三个天区,即(银经,银纬)=60),(10-2)和(102)。这三个天区在空间上的分布并不连续,其中有两个不在盘面上。

  二、恒星的速度分布能说明银河系中有棒? 

  2012年,APOGEE预观测数据发现银河系核球内某些天区的速度分布呈现出双峰分布,即有一个低速主成分和一个高速峰。 

  随着APOGEE正式观测数据DR13的释放,更多的恒星和更广的巡天区域被包含在其中。APOGEE预观测数据在某些核球区域发现的这种高速峰结构非常奇特。“我们拿到新数据的第一步就是在更完备的样本中确认这些结构是否还存在,然后再利用化学元素含量等恒星参数去检测现有的理论预言是否正确。”沈俊太介绍。与前人工作不同,他们利用恒星有效温度作为距离指标,有效地去除了核球区的前景星。 

   他接着介绍道,“我们发现,绝大部分天区中的速度分布都体现为一个偏斜的高斯分布,而且平均速度越高,向高速方向的偏斜越明显,这其实正是银河系棒中恒星运动学的一个最重要特征,与我们之前基于数值模拟的理论预期相符合。它也与此前的红外图像相一致,后者显示银河系核球的左端比右端更厚更大,究其原因,原来是一种视觉效应——左端是倾斜的棒更靠近我们太阳的一端。不论是APOGEE的恒星速度分析,还是红外图像的解读,都表明了银河系中棒的存在。”

2:双峰分布和有偏高斯分布的示意图

 

  三、高速峰的起源是什么? 

  目前关于高速峰起源的两个流行理论分别是,银河系中心一个大尺度的核盘(尺度约7000光年),或者是被棒俘获到的新形成恒星导致了观测到的高速峰。“我们的数值模拟研究表明,核球中恒星速度呈现偏斜的高斯分布,而且即使存在高速峰,也无法用组成棒主体的恒星来解释。高速峰起源是什么,仍然存在很多争议,因此我们也希望基于APOGEE的观测数据来探讨这个问题。”上海天文台的李兆聿副研究员说。 

  1.银河系中心一个大尺度的核盘导致了高速峰?  

  最终在银河系核球/棒区域的50多个天区中,他们发现只有3个在200千米/秒处呈现出了明显的高速峰。沈俊太研究员补充说,“这3个呈现高速峰的天区在空间上并不连续,有两个并不在盘面上,这说明高速峰很可能并非起源于棒内区大尺度的恒星盘,因为棒内区恒星盘一般没有7000光年那么大,即使有,产生的高速峰也应该在盘面上,但观测结果并非如此。” 

  2.银河系中被棒俘获的新形成恒星导致了高速峰? 

  为了更进一步地探究高速峰的起源,对于有明显高速峰的3个天区,他们根据恒星的速度把恒星分为两部分,即主要低速部分和高速部分,并研究了它们的化学丰度分布(作为恒星的年龄指标),他们发现这两个成分的化学元素含量几乎一样,从而推测这两个成分都包含了年轻和年老的恒星。在另一项测试中,他们将恒星分成年轻和年老的两类,结果发现这两类恒星的速度分布相似,表明它们具有一致的运动学性质。“这些测试结果表明,高速峰的恒星并没有比低速部分的恒星更年轻,也就是说,棒结构俘获的年轻恒星无法解释高速峰。”本项目的合作者之一、国家天文台的刘超副研究员说。 

3:根据速度把核球区的恒星分为低速主成分和高速部分。图上显示了这两个部分的化学丰度分布(作为年龄指标)。主要低速部分(左图)和高速部分(右图)的化学元素含量相似,说明年龄组成也比较相似,高速部分的恒星并没有比主要低速部分年轻。 

  综合看来,现有的两个理论解释都无法很好地解释核球中个别天区中高速峰的起源,它仍然是一个谜。我们还需要为揭开这个谜继续努力。沈俊太研究员总结道。 

  本课题受国家自然科学基金委优秀青年项目、重点项目“银河系和近邻星系的动力学模型”(批准号:1132232611333003)和科技部973重点科研计划“基于LAMOST大科学装置的银河系研究:银盘的运动学性质及动力学演化”(批准号:2014CB845700)资助。 

论文链接:http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aa88c7/

科学联系人: 

  沈俊太,中国科学院上海天文台,jshen@shao.ac.cn 

  周颖颖,中国科学院上海天文台 

  刘  超,中国科学院国家天文台 

  李兆聿,中国科学院上海天文台  

新闻联系人:

    左文文,中国科学院上海天文台,wenwenzuo@shao.ac.cn021-34775125 

 

  

  

 

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