我们发现了银河系里的“波浪”

via  果壳网

天文教科书上说，银河系就像一个平滑的圆盘，直径大约10万光年。然而最近天文学家的研究颠覆了这一经典形象：银河系的银盘上存在“波浪”一样的起伏；它的直径也可能比先前我们认为的更大。果壳网“科学人”请来了这项研究的第一作者——中国国家天文台的徐岩研究员，亲自讲述他们颠覆教科书的这一发现。

新发现表明，银河系的银盘并不平滑，而是存在“波浪”一样的起伏。图片来源：海蒂·纽伯格，此项研究的合作者之一

翻开任何一本天文学科普书（或者教科书），你都能找到类似这样的描述：我们的银河系由大约2000亿颗恒星构成，它们大都分布在一个扁平状的圆盘之中，直径10万光年；在这个所谓“银盘”的内部，恒星又构成了一道道旋臂，缠绕成旋涡形状，像是餐盘上印制的花纹。

最近，我们团队利用斯隆数字巡天（SDSS）的测光和光谱数据，对银河系的银盘进行了研究。我们的结果颠覆了教科书上银河系的形象，表明银盘存在波浪状的结构，并且银盘的尺寸也可能比传统认为的更大。

传统观点认为，银河系的银盘应该是一个平滑的盘，从银心向外密度呈指数下降，而且在银盘的上下两侧（或者说南北两侧），密度应该是镜像对称的。然而，早在10多年前，就有天文学家发现，银盘中存在一些结构，其中的恒星密度高于预期。

2002年，美国伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）的海蒂·纽伯格（Heidi Newberg）及其同事发现，在银盘的最外侧边缘存在恒星密集分布的团块，这一成团子结构现在被称为麒麟座星环（Monoceros Ring）。从我们所处的位置背对银河系中心沿着银盘向外看去，这个子结构距离太阳大约3万光年，意味着它距离银河系中心约有6万光年。

后来，其他天文学家又在麒麟座星环以外发现了另一个类似的子结构，现在被称为三角座－仙女座星流（Triangulum Andromeda Stream）。这个子结构距离银河系中心大约8万光年，远远超出了传统上认为的银河系银盘的边界。

现在，我们的研究团队对2002年斯隆数字巡天的观测数据作了进一步分析，发现了另外两个类似子结构存在的迹象。

斯隆数字巡天所用的望远镜，这项研究分析的观测数据就来自于斯隆数字巡天。图片来源：SDSS

我们利用恒星本身的真实亮度来测量它们的距离，因为距离越远，同等亮度的恒星看起来就会越暗（当然，还要考虑恒星和我们之间尘埃的消光作用）。通过测量一颗颗恒星的距离并统计它们在银河系内所处的位置，我们发现至少在银经110°到230°、银纬－30°到30°之间，银盘中的恒星密度存在不对称性。

我们发现，这一区域有4个独立子结构，恒星密度超过传统预期。之前就被人发现的麒麟座星环和三角座－仙女座星流各占其一，另外两个子结构则位于麒麟座星环和我们的太阳之间。离太阳最近的子结构，距离银心大约3万光年，银盘以北的恒星密度超出预期；另一个子结构距离银心大约4万－4.5万光年，银盘以南的恒星密度超出预期。

我们分别把它们命名为北近结构（north near structure）和南中结构（south middle structure）。由银心向外，它们与麒麟座星环和三角座－仙女座星流，构成了某种等间距排列，彼此间距大约6000光年。不仅如此，这些恒星密度超出的子结构还交替出现在银盘的南北两侧，在银盘中构成了波浪状的结构。

最初我们猜测，这两个子结构可能是银河系吞并附近矮星系而留下的遗迹。但我们分析了这两处恒星的金属丰度和视向速度分布，发现这些恒星的金属丰度与银盘中普通恒星的金属丰度非常接近，与矮星系中恒星的金属丰度分布并不相似。对视向速度的测量也显示，那些恒星并非源自于矮星系。

这项研究还提出了一些很有意思却没有得到很好解释的问题。从我们地球上看过去，北近结构与银河系旋臂中的英仙臂（Perseus Arm）位置相近，南中结构则与外缘旋臂（Outer Arm）位置相近。然而，两者出现的方向刚好相反，比如北近结构出现在银盘以北，英仙臂却位置偏南。另外，子结构距离银盘的高度也要比旋臂的银盘高度大很多。其中的原因是什么，是子结构触发了旋臂的形成还是反过来，仍然有待研究。

从这项研究中，我们还可以得到一个有待证实的推论。先前的观测表明，距离银心大约5万光年处，银盘上的恒星密度出现了陡然下降，因此传统上认为银盘直径约为10万光年。如果银盘中确实存在我们发现的这种波浪状结构，那么沿某个视线方向看出去，就会出现某个半径处恒星密度突然下降，接下来密度又突然增大的情况——而麒麟座星环和三角座－仙女座星流恰好是这种情况。如果这两个子结构都是银盘的一部分，这就意味着银河系要比我们先前认为的大出约60%。银河系的银盘从一侧到另外一侧不只延伸10万光年，而很可能宽达16万光年，足以与本星系群中最大的旋涡星系——仙女座大星系M31比肩。

这段合作研究的经历让我一次次刷新从教科书上得到的一些基本概念，也说明一些最基本的天体测量也可以是前沿问题，并且非常重要。我们的这项研究，近期发表在国际天文学期刊《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）上。

我们的合作团队包括：美国伦斯勒理工大学教授海蒂·纽伯格和博士后杰夫·卡林（Jeff Carlin），中国国家天文台恒星与恒星系统研究团组副研究员刘超和研究员邓李才，上海天文台研究生李静，英国牛津大学拉尔夫·舍恩里克（Ralph Schonrich）博士，以及美国费米实验室布莱恩·扬尼（Brian Yanny）教授组成的团队。（编辑：Steed）

参考文献

Y. Xu et al. “Rings and Radial Waves in the Disk of the Milky Way.”Astrophysical Journal. March 10, 2015.