给银河系画张“半身像”

刘 超

2017年12月28日09:10  来源：科技日报

　　银河系绝大多数恒星都集中在银盘上，太阳系位于银盘上较为外部的位置。

　　银河系是一个巨大的存在，如果有人从其核心区域的某颗行星上打电话到其黑暗的最外沿的另一颗行星，接电话的人至少需要数万年才收到那个微弱的通讯信号。除非天行者卢克、汗·索洛和莱娅公主的寿命以千万年计，否则浪漫、奇幻的《星球大战》故事完全不可能发生，银河帝国在巨大的数十万年计的时延面前只能是一盘散沙。

　　天文学家要了解如此巨大的恒星系统，揭开它运转百亿年生生不息的原因，要把全部天空各个方向、所有能看到的恒星光芒尽量收集在一起。但这并不简单。从赫歇尔到沙普利再到现代的无数科学家，都在为认识银河系不断努力。近年来，我国的郭守敬望远镜（LAMOST）聚焦银河系，更新着人类对它的认知。比如最近，LAMOST给银河系银盘绘制了更精确的“半身像”，发现它比过去认识的还要大。

　　千亿颗恒星的家园

　　银河系绝大多数恒星都集中在一个巨大的扁平盘上，它被称为银盘。我们的太阳也处于这个盘子上，因此银盘在地球天空上的投影看上去就是一条银白色的光带。尽管几百年以前天文学家据此猜到了银河系长得像个盘子，但是对银盘的大小没有精确的测量。今天的教科书和科普读物中最常用的数值是银盘的半径大约有5万光年，这是一个很粗略的估计。而太阳系位于银盘上较为外部的位置，距离银河系中心约3万光年。除了银盘之外，还有大约十亿颗恒星分布在更大的包裹着银盘的一个椭球或球形空间内，称为“银晕”。银晕的恒星虽少，但是体积要大得多，半径可能超过了30万光年。

　　在银盘上，恒星的分布是不均匀的，处于银盘中心的恒星远远多于在银盘外围的恒星。因此天空上的光之河也不是处处一样亮，夏天当银盘的中心区挂在夜空中的时候它就会显得更亮。这也是我们夏天更容易看到银河的原因。如果你去南半球旅行，在夏季无月的夜晚，天空上的银河愈加明亮，因为在南半球的天空可以看到整个银盘的中心区，而在北方只能看到很小一部分。

　　看上去似乎南半球的天文学家因地利之便更容易观察银河系。实际并不尽然。尽管银河中心区聚集了大量的恒星，但是要了解它的整体形状以及在百亿年间的长期演化，其外围的信息是不可或缺的。外围是指的银盘的外围以及银晕。这样住在北半球的天文学家也有很多事情可做了。

　　百名专家联手揭秘银河系

　　最早大规模研究北半球银河系的结构、并取得卓越成果的是美国的斯隆数字化巡天项目（SDSS），它同时也被誉为世界上最有影响力的天文巡天观测项目。SDSS带来了很多关于银河系的颠覆性认识，其中最为有名的是它首次揭示了银河系的晕中存在大量的矮星系和潮汐星流结构。

　　在二十一世纪第二个十年里，国际上接力SDSS的天文巡天项目有很多，其中我国天文学家主导的LAMOST银河系光谱巡天项目是效率最高的之一。

　　为了能够更好观察银河系，天文学家需要尽其所能捕捉更多恒星的各种电磁波信号。虽然SDSS获得了上亿颗恒星的亮度和颜色信息，但是只有60万颗恒星的光谱信息。相比之下，尽管LAMOST巡天仅观测恒星的光谱，但是它在短短五年时间里已经获得了将近800万条恒星光谱，比之前全世界天文学家获得的恒星光谱总和还要多！

　　巨大的恒星观测数目只是万里长征的第一步，海量数据并不能自动告诉我们银河系的形状和性质。科学家还需要细致的数据筛选和严谨的统计分析。

　　数据的分析和统计过程是漫长的，凝聚了很多人的努力，历时若干年头。首先，光谱需要做最基本的处理，将其从拍摄的数字图像中提取出来。LAMOST望远镜包含了16台光谱相机，每台相机的一幅图像包括大约两百条天体光谱，提取并对其做初步处理是一项细致而繁琐的工作。抽取出每条光谱之后，还要从中估算对应恒星的物理参数，包括恒星表面的温度、表面重力加速度、包含的金属成分的比例等。这些信息至关重要，因为下一步，天文学家们需要根据这些信息估计恒星的绝对亮度，再根据其他望远镜测量到的视亮度估算它到太阳的距离。

　　不同恒星的绝对亮度可以相差十个数量级，也即100亿倍，但是同一个望远镜能观测到的视亮度范围仅有几百倍。这就带来了一个严重的问题，那些望远镜捕获到的很远的恒星都是绝对亮度很亮的恒星，而对很暗恒星的探测仅局限于很近的距离范围内。天文学上将这种选择效应称为马奎斯特偏离，它会严重影响对银河系的统计分析。因此接下来，天文学家们就要想方设法改善由此带来的统计偏差，尽量还原银河系真实的恒星分布情况，公平地统计很暗和很亮恒星的数目。最终，经过一百多名中外天文学家和工程师的漫长观测、数据处理和统计分析，银河系的神秘面纱终于被LAMOST数据逐渐揭开。

　　一张更精确的结构图

　　通过应用复杂统计手段精确清点银河系外围恒星的数目，科学家成功绘制出银盘外围的空间结构剖面图。从图中可以看出，银盘的恒星数目虽然随着半径增加而减少，但并没有在5万光年处停下来，而是一直延伸到距离中心6.2万光年处。这比教科书上一直以来引用的半径大了约四分之一。

　　银河系的疆界因此向外拓展了很多。这就像是我们住在一个房子里很多年，突然有一天推开一扇尘封已久的大门，发现其实我们房子后面还有很大一个后院。这一发现不仅将改写教科书，还让天文学家们重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。

　　除了成功给银盘绘制一张“半身像”，LAMOST的海量数据还帮助人们进一步测量了银晕的形状。研究人员首先从数据中剥离了银盘上的恒星，然后只使用银晕恒星绘制出银河系13万光年内的三维结构图。他们惊讶地发现，银晕具有复杂的构成——内部呈扁球形，外部则逐渐变成球形。这一清晰的观测证据推翻了前人关于银晕结构的很多猜测，展现了全新的银晕图像。

　　观测天文学家对此当然非常兴奋，如同在后院挖出了一大块金子。理论学家就要费些脑筋了，因为他们需要解释为什么银晕不是一个简单的扁球或球形结构，而是保持这样一个复杂变化的形状，以及它是否预示银河系在一百亿年以前形成之初时经历过什么特殊的物理过程。

　　一幢久居的老屋，表面上你似乎对它的每一块砖、每一片瓦、每一扇窗都了然于胸。可是当你真正睁开双眼去看它时，陈旧的老屋里总是给你带来各种惊喜。银河系就是这样的一幢老屋。居住了46亿年后，当人类睁开眼认真审视它时，惊喜的发现仍会接踵而来。LAMOST巡天则是那双明亮的眼睛，在它的审视下，谁能说不会有新的更大的银河宝藏被它挖掘出来呢？

　　（作者系中科院国家天文台副研究员）