哈勃测定LMC的3D自转速率

2014.2.18：借助美国宇航局（NASA）的哈勃太空望远镜的超级分辨率，一个国际天文学团队首次通过测量单个星系中恒星的时钟样运动速率，分析计算出星系的自转速度。

LMC的3D运动的示意图，箭头表示700万年后群星的预测位置。大图：2.2MB，版权：NASA，ESA，STScI；研究者团队，下同。

借助美国宇航局（NASA）的哈勃太空望远镜的超级分辨率，一个国际天文学团队首次通过测量单个星系中恒星的时钟样运动速率，分析计算出星系的自转速度。

根据他们的分析，我们的邻居星系——大麦哲伦星系（LMC）中心区域自转一周需要2.50亿年。巧合的是，这与我们太阳系绕银河系核心旋转一周所花的时间竟然相同！

由马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科研所（STScI）的Roeland van der Marel和夏洛特斯威尔市弗吉尼亚州立大学的Nitya Kallivayalil组成的哈勃团队，测量了17万光年外LMC中上百颗单个恒星的运动速度。哈勃记录了7年间这些恒星的微小移动。

像银河系和大麦哲伦星系这样拥有星系盘的星系，通常像旋转木马这样自转。哈勃通过精确跟踪天空中一个面上恒星的侧向运动，确定星系的自转。长期以来，天文学家已经测量了（银河系中）很多近邻天体的侧向运动（自行），但这是首次使用该方法精确测量一个遥远星系的自转。

在上个世纪，天文学家通过观测星系中恒星的光谱确定星系的自转——基于多普勒效应。在旋转星系盘的一边，它们朝向地球运动，因此星光蓝移（相当于光波被压缩）；而另一边恒星远离地球运动，星光红移（光波被拉伸）。

PDF插图，根据光谱观测绘制的，LMC在视线方向的运动。

组合先前测量的多普勒运动和哈勃新测量的恒星自行，就能获得LMC真实的旋转速度。根据组合结果，哈勃团队首次获得了另一个星系中恒星完整的立体运动数据。

研究报告的首席作者范?德?迈尔（van der Marel）介绍说：“只测量一个星系相对于我们的即时前进或后退速度，并不能看到它的真实旋转。通过哈勃数据研究恒星7年来的自行运动，我们首次看到了星系在天空中的真实运动。” 研究报告发表在2014.2.1出版的《天体物理学》上。

领导了团队数据分析的Kallivayalil，补充道：“研究邻近星系中恒星的运动，能让我们更好地了解星系盘的内部结构。知道星系的旋转速度，我们能够分析星系的质量，以及它是如何形成的。”

能够完成如此观测成就，哈勃是唯一的望远镜。因为它的图像分辨率、它的超级稳定性，因为它已经在太空中运行了24年。Marel说明了哈勃图像的超级精度：“假如月球上有一个人，哈勃图像能够显示出（这么多年来）他的头发是如何变长的。”

Marel接着说：“哈勃的精度非常重要，因为星系离我们很远，恒星的自行运动显得极为微小。我们可以把LMC想象为天上的一个巨型钟表，表针转一圈需要2.50亿年。我们知道表针在走，但是既使在哈勃图像上，我们也需要好多年才看得出细微的移动。”

LMC自转的效果示意图，上图是当前的，下图是0.14亿年后的。

研究团队使用哈勃的第三代广域相机（WFC3）和高级巡天相机（ACS），观测了大麦哲伦星系（LMC）巨大盘面上22个区域的恒星运动。（LMC）位于南天，有20个满月的角直径那么大。根据哈勃的精细测量，图像中标出了700万年后那些恒星的预测位置。

每个被选中的观测区域，不但包含数十颗LMC的恒星，还包含一个遥远的背景类星体。类星体是极为遥远的活动星系核，超级黑洞驱动星系的核心发出强光。天文学家需要类星体作为固定的参考点，测量LMC中恒星极为微小的运动。

本次测量是持续多年的、全球各个团队使用哈勃数据精炼LMC的自转速度的活动高潮。自从2002年起，Marel团队就开始详细分析、预测星系的自转，现在通过哈勃的观测，预测看起来确认了。

Marel继续说：“因为LMC离我们银河系非常近，它显得极为重要。研究银河系很难，因为我们本身就在银河系中，它散布在整个天空，研究对象有不同的距离。而从外部观测一个邻近星系的结构和旋转，就相对容易多了。”

Kallivayalil总结道：“因为LMC非常近，它成为研究恒星成员、演化的标准星系。所以，了解它的结构和运动也非常重要。我们测量它的自转所用的全三维（3D）技术，是阐明星系结构的新方法。它开启了我们了解星系中恒星运动的新窗口。”

除了自身的旋转外，LMC还绕银河系公转。在不久前的研究报告中，研究团队指出LMC的公转速度超过了以前的估测。这项研究修正了我们此前对这个邻居的知识：LMC过去何时遇到银河系的，它们的相互作用有多久了。

团队下一步计划使用相同的技术，使用哈勃数据测量LMC的小兄弟——小麦哲伦星系（SMC）中恒星的自行。这两个星系相互作用，这些研究将能改进我们对两个星系互相绕转以及它们绕银河系旋转的认识。

译注：

1、哈勃图像上的恒星移动，实际上远远小于一个像素，是通过高级图像分析技术确定其移动距离和方向的。

2、大家可能没有想到，LMC会有20个月面这么大。但这是望远镜中看到的大小，就像题图中所绘制的那样，比通常肉眼所见大得多。哈勃的精细观测天区非常小（所以才能看得清晰精确），相对来说LMC的盘面确实极为庞大。