愛因斯坦曾說過：“宇宙中最不能理解的事，竟然宇宙是可以理解的!” 自古以來，夜空中美麗浩瀚的銀河，引發(fā)了人們無數(shù)的想象和勇往直前的探索，從三國時(shí)期的“星漢燦爛，若出其里”到宋代的“銀河宛轉(zhuǎn)三千曲，浴鳧飛鷺澄波綠” ……寄托了一代又一代人們對銀河的期許和向往。

　　“翹”的銀河

　　隨著觀測技術(shù)的進(jìn)步，天文學(xué)家得以凝視他們夢寐以求的這片星河，人們對銀河真實(shí)面貌的認(rèn)識也在不斷推陳出新。目前我們認(rèn)知的銀河是一個(gè)直徑大概約為20萬光年的星系，中間為盒狀的“核球”，四周是扁平的“銀盤”，銀盤上下及之外是若隱若現(xiàn)的巨大“銀暈”。

　　大約70年前，科學(xué)家就已經(jīng)知道銀河系是“翹曲的”，一側(cè)的邊緣區(qū)域由銀河平面朝北邊彎曲“向上”，另一側(cè)彎曲“向下”，遠(yuǎn)看就如同我們平常吃的炸薯片。也就是說我們從側(cè)面去看銀河，能看到銀河擁有前凸后翹的S型好“身材”。

　　但是，在很長一段時(shí)間里，由于觀測條件的限制，科學(xué)家沒法用真實(shí)精確的恒星觀測數(shù)據(jù)將銀河的“薯片狀”結(jié)構(gòu)生動地呈現(xiàn)在我們面前。

圖1. 銀河系翹曲示意圖，如同薯片一樣（圖源：英國《衛(wèi)報(bào)》網(wǎng)站）

　　2019年，我國科學(xué)家陳孝鈿等人通過恒星計(jì)數(shù)的方式首次勾勒出銀河系翹曲結(jié)構(gòu)的三維空間分布特征，這為人類真實(shí)地觀看銀河“炸薯片”結(jié)構(gòu)提供了直接的觀測證據(jù)。

　　銀河系，作為茫茫宇宙中一個(gè)典型的盤星系，既有普遍性又有特殊性。銀河系為什么會這樣“翹”？保持S型身材的秘訣是什么？長期以來，天文界對此存在各種不同的觀點(diǎn)和設(shè)想，也成為了國際天文學(xué)家討論的熱門話題。

圖2. 星系ESO510-13的翹曲圖，左右兩端都有翹起的特征（圖源：STScl/NASA）

　　“翹”的預(yù)見

　　有人認(rèn)為銀河系的暈和盤相互作用可以產(chǎn)生“翹曲結(jié)構(gòu)”；有人認(rèn)為氣體掉落到銀盤可以催生銀河系盤的“翹曲結(jié)構(gòu)”；有人則認(rèn)為銀河系家門口的麥哲倫星云或鄰居人馬座星系的碰撞也是一種可能性；甚至還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，銀河系的磁場也在“炸薯片”結(jié)構(gòu)形成中起到重要作用等等。一直以來，大家對于翹曲來源的研究，不斷有新的突破，但難以達(dá)成共識。

　　科學(xué)理論需要實(shí)測數(shù)據(jù)一步步證實(shí)，歐空局的蓋亞巡天帶來了契機(jī)。因?yàn)樯w亞衛(wèi)星可以幫助我們對恒星的三維速度進(jìn)行史無前例的測量，天文學(xué)家利用這些新數(shù)據(jù)對翹曲的研究和討論日趨激烈。

　　為了方便理解，天體物理學(xué)家從宏觀方向入手，將銀河系盤“炸薯片”外形的形成機(jī)制簡單歸為兩類：

　　第一類原因是受外部吸引和影響，由于銀河系盤與周圍不發(fā)光物質(zhì)或者外部矮星系的引力過程。簡單地講，我們的銀盤如同一個(gè)“偶像包袱”十足的明星，與周圍粉絲們相互吸引，“凹造型”凹出了如此曼妙的身材。

　　第二類則認(rèn)為不是引力相互作用主導(dǎo)的長期演變過程，簡單稱為非引力過程。比如，銀盤周圍的氣體掉落或磁場作用等影響，導(dǎo)致了銀盤如此之“翹”。

　　“翹”的新知

　　如果是第二類原因引起了銀河的“翹曲結(jié)構(gòu)”，體現(xiàn)出來的特征就是銀盤上年輕恒星家族的彎曲強(qiáng)度比年老恒星家族的彎曲強(qiáng)度更大。這是因?yàn)槿绻欠且^程主導(dǎo)，那么該機(jī)制主要作用于氣體或年輕恒星，并且年老恒星有足夠的時(shí)間自己消化掉外部非引力過程對它產(chǎn)生的影響，從而體現(xiàn)出能被人類探測到的不同恒星家族彎曲強(qiáng)度的分布特性。

　　雖然我們可以利用蓋亞衛(wèi)星的海量數(shù)據(jù)對此進(jìn)行一些探索，但目前它對恒星視線方向速度測量的數(shù)據(jù)范圍較小，并且它不能給出較為理想的恒星化學(xué)信息、年齡信息等，甚至對銀盤較遠(yuǎn)處的恒星距離測量也不夠準(zhǔn)確。

　　幸運(yùn)的是，我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）則可以比較好地解決這些不足之處，同時(shí)也為我們提供了一個(gè)絕佳的機(jī)會，對銀河“翹曲”結(jié)構(gòu)的由來一探究竟，追問它的前世今生與歷史脈絡(luò)。

圖3. LAMOST望遠(yuǎn)鏡與銀河（圖源：袁鳳芳）

　　LAMOST特聘青年研究員王海峰主導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)，基于LAMOST巡天光譜數(shù)據(jù)中豐富的恒星參數(shù)信息，巧妙地構(gòu)建出一個(gè)概率分布函數(shù)，從新穎的角度出發(fā)，對銀盤“炸薯片”的特征進(jìn)行了追溯研究。

　　他們發(fā)現(xiàn)，銀盤“薯片”形態(tài)的彎曲強(qiáng)度隨著恒星年齡的增加是不斷減小的，而且這樣的“翹曲”身材可以長期保持，但卻又是不穩(wěn)定的一種狀態(tài)?；诳茖W(xué)分析，他們可靠地找到了翹曲結(jié)構(gòu)起源于氣體掉落為代表的非引力過程的證據(jù)。因此，基于LAMOST的優(yōu)勢，研究人員用目前最少的假設(shè)、全新的視角發(fā)現(xiàn)：銀河系盤的“翹曲”其實(shí)是一個(gè)起源于非引力物理過程且長期處于非穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。

圖4. 銀河系翹曲強(qiáng)度演化圖，隨著年齡的增加，強(qiáng)度明顯下降，支持翹曲起源于非引力過程的結(jié)論

　　這一發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了人們對于翹曲起源的理解，為我們認(rèn)識銀河系盤的翹曲及起源邁出了全新的一步。

　　未來，研究團(tuán)隊(duì)將從數(shù)據(jù)與物理方面進(jìn)行更多的努力，逐步地去實(shí)現(xiàn)獲取完整銀河真實(shí)物理圖像的理想，進(jìn)而為還原銀河系乃至臨近宇宙的演化歷史推開一扇又一扇神秘未知的大門。

　　作者簡介：王海峰，云南大學(xué)中國西南天文研究所博士后、中國科學(xué)院LAMOST特聘青年研究員、中國科學(xué)院國家天文臺天體物理學(xué)博士。研究領(lǐng)域：銀河系化學(xué)動力學(xué)結(jié)構(gòu)、時(shí)域恒星物理、天文大數(shù)據(jù)處理與分析等；李雙，中國科學(xué)院國家天文臺工程師，LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心宣傳主管。