晴朗无月的夏夜,仰望星空,我们会看到一条明暗交织的光带跨越整个夜空,这就是银河,传说中王母娘娘拔出银簪划下的那条隔断织女和牛郎的天河。现在我们已经知道,它是由数千亿颗恒星和数不清的星际物质所组成的一个旋涡星系——宇宙中最优美的一类天体:它们以10万光年以上的规模炫耀着一幅幅海贝般的螺旋图案,由灿烂的蓝色恒星和橙色/暗红色的气体尘埃云所镶嵌的旋臂翻转缠绕,宛如太空中的巨大涡流。 我们的太阳系位于银河系内的一条旋臂上,因此从地球上很难看清楚银河系的旋臂结构,正所谓“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。加之旋臂上天体距离的不确定性,我们甚至对银河系到底有几条旋臂都不能确定。有关银河系的旋臂模型迄今已经超过100多种,这可能是天文学中持续时间最长的问题之一。 夏夜星空肉眼可见的银河(上);银河系结构示意图(下) 描绘银河系结构的关键在于找到一把“量天尺”精准测量出其中天体的距离。 视差法:古老但可靠 天文学家充分利用地球公转轨道(半径约1.5亿千米)半年前后分距太阳两侧的机会,测量同一颗亮星相对于背景暗弱恒星(通常距离更远)的视差,用以计算亮星的距离。这种方法测得的视差就叫恒星视差,或三角视差。 三角视差方法测量天体距离的原理示意图。| 图源:紫金山天文台 但是对于更遥远的天体,其视差是很小的,比如,一个距离为6500光年(大致为英仙臂的距离)的天体,其视差只有0.5个毫角秒(mas,千分之一角秒)。这相当于从1万千米外看一枚一元钱的硬币(直径25毫米)的张角。 光学观测无法“看穿”那些被恒星遮挡的天体,因此也无法测量被银河系核球所遮挡的背面天体的距离。传统的光学三角视差还因为受到尘埃消光等因素的影响,而只能测量太阳附近300光年范围内天体的距离。即便是像欧洲空间局(ESA)的盖亚(Gaia)号探测器所完成的史无前例的宏伟计划——迄今太阳系附近最大样本(超过十亿颗)恒星的最精确位置、自行(恒星在天空中的移动)和几何距离测量,通过三角视差辅以造父变星(可以简单地通过光度获得距离信息)等其他方法,虽然预言的理论精度能够达到10微角秒(μas,百万分之一角秒),但到2018年4月,第二批释放的Gaia DR2数据也只能精确测量太阳系附近3000光年范围内恒星的距离,对更远的恒星仍然望尘莫及。而对于直径约为10万光年的银盘来说,这只是冰山一角,远不能描绘银河系的整体图像。 好在我们现在已经知道,银河系大量的恒星诞生于旋臂中的致密分子云核“胚胎”,所以通过射电波段对这些分子云核距离的巡天观测,可以很好地弥补光学观测手段的不足,使银河系中更遥远天体距离的精确测定成为可能,从而可以给出更为完整和精确的银河系“地图”。 不过,要想测量整个银河系的结构,必须提高望远镜的分辨率,选择合适的示踪天体。 量天尺:脉泽+VLBA 天文学家们提出用世界上分辨率最高的望远镜-甚长基线干涉阵(VLBA)测量脉泽的三角视差和自行,实现银河系旋臂结构和运动学性质的高精度直接测量。 〇 VLBA 是由横跨美国的10台口径25米的射电望远镜组成的一个功能强大的阵列,它的最长基线可达8611千米,分辨率能够达到0.3毫角秒(mas),相当于人类能够阅读4000千米以外的报纸,类似的望远镜还有欧洲VLBI网(European VLBI network, EVN),日本的VERA(VLBI exploration of radio astrometry),中国VLBI网(Chinese VLBI network, CVN)等。 新纪元:英仙臂距离高精度测量 作者简介 李晶晶:中国科学院紫金山天文台青海观测站副研究员。研究方向:银河系结构的精确测量,银河系分子云与恒星形成。 撰文:李晶晶 审核:徐烨、孙燕 |
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