PNAS：重新绘就银河家园

10月5日，《美国科学院院报》（PNAS）刊文介绍银河系旋臂结构测量的最新研究成果，其中包括中国科学院紫金山天文台徐烨领导的团队及其国际合作团队的系列研究成果。特选编摘译。

文 | Ken Croswell

译 | 林泽昊（紫金山天文台 博士研究生）

M51（涡状星系）是人类认识的第一个旋涡星系，距离我们2800万光年，炽热的蓝色恒星和粉红色的电离氢云点缀出清晰的旋臂结构，令人叹为观止。这个由梅西耶（Charles Messier）于1773年10月13日发现的“非常暗的星云”，在1845年春，被Rosse爵士用1.8米口径反射望远镜首次发现了其中的螺旋结构。一个多世纪后的1951年，天文学家才证明我们身在其中的银河系也是一个旋涡星系，而要精确绘制银河系的旋臂就更是难上加难了。正所谓“不识庐山真面目，只缘身在此山中“。

旋涡星系M51 | 图源：NASA, Hubble Heritage Team, (STScI/AURA), ESA, S. Beckwith (STScI), 附加处理：Robert Gendler

旋涡星系

旋涡星系的旋臂挤压星际气体和尘埃云，促使它们坍塌并产生新的恒星。旋臂发出蓝色和粉色的光：蓝色来自炽热的新生恒星，粉红色来自原子氢云，这些新生恒星通过撕裂电子电离原子氢云，当电子与原子复合时，发出红光。

通过估计电离氢云中蓝色恒星的距离，可以绘制这些气体云的导览图。上世纪五十年代初，叶凯士天文台的William Morgan和同事发现了银河系中最近的三条旋臂[1,2]。猎户臂（Orion Arm）的内边缘栖息着地球及它所在的太阳系，因此又被称为本地臂（Local Arm），其内外两侧分别是人马臂（Sagittarius Arm）和英仙臂（Perseus Arm）。

随后的一些研究工作却认为本地臂只不过是主旋臂上的刺——甚至完全可以忽略，这就让地球只能潜伏在人马臂和英仙臂之间的黑暗区域里，凝视两侧巨大旋臂上不断诞生的新生恒星。

本地臂的崛起

但现在一切都变了。在过去的十年里，射电天文学家已经精确测定了一批蓝色炽热新生恒星的距离。这些恒星照亮旋臂，让银河系的旋涡结构轮廓更清晰。得益于准确性和射电波段的优点，新观测能够看到比以前更远的恒星。星际尘埃吸收了这些遥远恒星的可见光，但射电波能穿过尘埃，让天文学家绘制出银河系旋臂全景图。

射电天文学家通过使用一种古老而可靠的技术来测量年轻恒星的距离：视差测量。这是一种由地球围绕太阳的公转引起的似动现象。在一年当中，当观测者从不同的角度观察一颗恒星时，会看到它的位置略有变化。离得越远的恒星，视差越小，测量很难。即使在十年前，视差法在几百光年之外的距离就很难奏效了，而几百光年仅仅是银河系的零光片羽。

为测量更遥远恒星的微小视差，射电天文学家将望远镜连网组成横跨大陆的巨大阵列。不可思议的是，只要恒星发出射电波，这种方法就能确定银河系中心以外，距离我们数万光年的恒星。幸运的是，旋臂中的一些大质量恒星激发了周围气体云中水和甲醇分子的电子。当电子失去能量时，它们会像激光一样发射出强烈的微波，即脉泽。它们看起来像是小而明亮的射电点源。射电望远镜通过一年的监测，测量它们的视差，从而得出恒星的距离。

大约十年前，天鹅座（Cygnus）中的脉泽视差测量发现了一个大惊喜。在这个北天的大型星座里，挤满了位于本地臂一端的恒星，同时还包含了英仙臂——无数蓝色新生恒星诞生的地方。但是脉泽视差图却显示，许多天鹅座的新生恒星其实离我们更近一些，沿视线方向排列在本地臂上。其中一个原以为在英仙臂上距离地球19,000光年的脉泽，实际距离只有11,000光年，它被牢牢地定格在本地臂上[4]。

“人们豁然开朗，原来本地臂上正在形成大量的大质量恒星，而且比以前想象的要长得多，它实际上可能一直延伸到英仙臂。”哈佛-史密森天体物理中心的射电天文学家Mark Reid说到。他领导了脉泽研究的大部分工作。

对脉泽视差测量的初期研究表明，本地臂至少长16,000光年。但之后，Reid和其他天文学家通过测量银河系中大约200个脉泽的视差，得到本地臂的长度至少为26,000光年[5]，这相当于太阳到银河系中心的距离。

遗憾的是，天文学家还是不知道本地臂的全长到底是多少，部分原因是本地臂在南天部分的情况目前尚不清楚。那一段本地臂伸向帆船座(Vela，南天星座)，北半球的大多数望远镜都观测不到。不过，Reid表示本地臂向天鹅座方向的延伸可能比向帆船座的延伸更长。他目前正在与澳大利亚和新西兰的天文学家合作，以描绘本地臂在南天的分布。

Gaia——天空之眼

2013年，由欧洲航天局发射的盖亚卫星（Gaia）能够对全天进行扫描，通过测量视差得到数亿颗恒星的距离。尽管这颗卫星在可见光波段工作，无法穿透隐藏在银河系盘远处的尘埃，但是Gaia已经给出了我们附近年轻星的分布情况。

2020年12月，Gaia释放了最新一批的数据，提供了超过一千颗O型星的精确距离。O型星是最炽热且质量最大的新生恒星，由于质量超大，所以非常亮，很容易被看到。然而，超高亮度也导致它们会在一千万年内死亡，几乎没有时间逃离位于旋臂上的出生地。这些使得他们成为示踪旋臂位置的最理想天体。

M101（风车星系 ）| 图源：HST /NASA, ESA, STScI; CFHT; NOAO/AURA/NSF

“值得注意的是，使用O型星示踪的本地臂显而易见，其延伸长度也超出了之前的预测，它似乎更类似于主旋臂的特征”紫金山天文台徐烨在文中写道[6]。他认为银河系的旋臂结构与漂亮的旋涡星系M101类似。通过利用Gaia最新数据进行研究，他估计本地臂的长度至少为25,000光年，与Reid使用脉泽视差得到的结果相符合。

银河系鸟瞰图：O型星(小点)和脉泽(三角形)以及太阳(大黄点)。银心在底部，星系棒为灰色椭圆。本地臂（橙色）向帆船座（Vela）方向延伸(9点钟方向)，但一些天文学家认为本地臂向船尾座（Puppis）(10点钟方向)。该图取自参考文献[6]，艺术加工：Lucy Reading。

今年三月，第三个研究团队报告了关于本地臂长度的相同结论[7]。法国蔚蓝海岸大学的Eloisa Poggio教授和同事使用Gaia数据绘制了成千上万颗蓝色恒星的分布情况，其中大部分恒星的年龄小于一亿年。在北天，朝向天鹅座方向，研究人员看到本地臂延伸到他们的数据极限，距地球约13,000光年。与其它研究团队不同的是，它们看到本地臂在南天的延伸长度也是13,000光年。于是他们给出了本地臂的全长是26,000光年的结论。

在其它方面也还有一些差异。Poggio团队发现在南天，本地臂不是穿过帆船座，而是穿过船尾座（Puppis）。如果这个结论是对的，这意味着本地臂比天文学家原本想象的还要更向外部盘旋。但是其他天文学家却已将船尾座中的恒星分配给了英仙臂。

天文学家也没有确定本地臂中恒星的混合。人马臂包含大量的年轻星，但与旋臂之间较暗的区域相比，它可能没有过多的年老恒星。相反，英仙臂则同时包含大量的年轻和年老星。但是还没有人知道本地臂的情况。

未来的研究会使这些问题更为明确。特别是南天的脉泽视差将会清晰地绘制出那里的本地臂形态，而更多的Gaia数据将会使其结果更为精确。每一次的数据释放都将会使结果变得越来越好。这些进步将会驱使天文学家绘制出更多的本地臂图样，揭示我们邻近家园的全貌。

参考资料：

[1] Morgan, W. W., Sharpless, S., & Osterbrock, D. 1952, AJ, 57, 3. doi:10.1086/106673

[2] Morgan, W. W., Whitford, A. E., & Code, A. D. 1953, ApJ, 118, 318. doi:10.1086/145754

[3] Georgelin, Y. M. & Georgelin, Y. P. 1976, A&A, 49, 57 3

[4] Xu, Y., Li, J. J., Reid, M. J., et al. 2013, ApJ, 769, 15. doi:10.1088/0004-637X/769/1/15

[5] Reid, M. J., Menten, K. M., Brunthaler, A., et al. 2019, ApJ, 885, 131. doi:10.3847/1538-4357/ab4a11

[6] Xu, Y., Hou, L. G., Bian, S. B., et al. 2021, A&A, 645, L8. doi:10.1051/0004-6361/202040103

[7] Poggio, E., Drimmel, R., Cantat-Gaudin, T., et al. 2021, A&A, 651, A104. doi:10.1051/0004-6361/202140687

作者简介

Ken Croswell ：科学专栏作家。

译者简介

林泽昊 ：中国科学院紫金山天文台博士研究生。研究方向：银河系旋臂结构。

轮值主编：苏杨

编辑：王科超