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科研人员在银河系外盘的多星族非对称动力学特性上取得新进展

日期:2019-11-13

随着各类大型银河系巡天的开展,如LAMOST(郭守敬望远镜), Gaia(欧空局盖亚卫星);在银河系研究领域,我们已经清楚的知道银河系并非平滑对称分布,在集中了银河系至少90%重子物质的银盘上,呈现的并不是在轴对称引力势下的物理图像。我们需要更多深刻的物理机制来进一步剖析银河系盘。

近期,LAMOST特聘青年研究员、云南大学王海峰博士后和云南大学黄样、陈丙秋副教授,国家天文台邓李才研究员,与美国及西班牙研究团队合作,基于LAMOST巡天数据,在6-14kpc的银河系盘区域上,不仅肯定了王海峰等人(Wang et al, 2018b, MNRAS, 478, 3367; Wang et al., 2018a, MNRAS, 477, 2858)之前在数密度和速度空间上探测到的“北近结构(North near)”,还为该子结构刻上了时间演化序列,发现该结构是一个相对年轻、化学丰度较贫、金属丰度较富、“存活时标”大致是60亿年的结构。更有趣的是,王海峰等人还对该子结构进行了详细地动力学分析与量化,他们认为该结构对应的盘面非对称物理机制目前很难给出一个非常精准的结论,但可推测该结构不太可能是银河系的棒、外盘的椭圆性分布、盘的长期膨胀或者星流的动力学效应所导致的,其他物理机制如旋臂的动力学、外盘的非平衡态破损、矮星系的次并合极有可能起着非常显著的作用。同时该工作还细致描绘了盘上径向速度梯度变化的星族结构。

上述主要覆盖径向速度的分析,在垂向速度空间上,王海峰等人在超越太阳邻域外,清楚探测到盘的垂直向上的运动特性(“bending mode”,弯曲动力学模式),该特征与最近Gaia的结果几乎完美吻合,但该工作发现其动力学敏感时间是80亿年,不同于盘面的非对称“存活时间”。王海峰等人还对该运动学特征进行了定量分析,发现目前结果较为清晰的吻合当前比较流行的“bending”和“breathing”数学模型,该两种分析模型的动力学机制目前是国际研究的难点问题,这份工作比较好地提供了一种观测约束。在对于垂向速度的动力学物理起源的分析过程中,该工作很清楚地支持了这两种物理模式。另外,王海峰等人指出,这些复杂的非对称性很可能在一个统一的动力学分布函数约束下,银河系的内部与外部动力学机制共同发挥作用,才使得我们今天可以在不同相空间与星族下看到丰富多彩的银河系盘相空间震荡特征。部分类似的物理图像与动力学细节在国家天文台徐岩等人的近期工作中也将会得到一定的体现。

值得一提的是,王海峰等人还大胆假设如果这些垂向运动是由于银河系外盘的翘曲(warp)所致,我们会探测到什么样的物理现象呢?他们用一个简化的解析翘曲模型,发现如果翘曲主导这些垂直非对称运动现象的话,我们银河系的翘曲就肯定是一个长期存在的非对称结构。目前,该团队正在撰写有关翘曲强度的动力学演化初稿文章,期待更加细致地审视这个有趣的“S”型结构。

目前,该研究成果已经被国际知名天文期刊英国《皇家天文学会月刊》接收(文章预印本:arXiv:1905.11944)。

该研究得到中国博士后科学基金(2019M653504)、LAMOST特聘青年研究员科研基金与培育项目、国家重点研发计划“基于LAMOST巡天的银河系研究”(SQ2019YFA040021),云南省博士后定向培养计划、西华师范大学天文系短期访问学者计划的支持。


上图表示的是银河系三维非对称速度沿着径向距离的分布,可以看到有很多梯度分布,不同的颜色代表不同的年龄星族,垂直的红色实/虚线代表银河系的四条旋臂位置。下图表示文中利用一个简化模型对银河系翘曲强度以及强度变化参数的模特卡罗拟。

来源:国家天文台