研究揭秘银河系核球的X型结构

来源: 中国科学院上海天文台

发布日期: 2016-04-08 09:23:55

中国科学院上海天文台的研究团队通过高精度的银河系多体数值模拟模型,对银河系的核球结构进行了全面认识,提出了银河系核球是“伪核球”,并解释了观测到的X型结构可能是核球中三维花生状结构的视觉效应。

我们所居住的银河系如何演化成它现在的样子,它未来的命运又将怎样,是目前天文学研究的热点领域之一。银河系是一个由中心核球、银盘及暗物质晕构成的大质量旋涡星系。旋涡星系的核球与中心超大质量黑洞紧密相关,理解银河系的核球对于构建整个银河系演化的图景至关重要。

近几年来,中国科学院上海天文台星系宇宙学研究中心研究员沈俊太领导的星系动力学团组发表了一系列有关银河系核球方面原创性的研究工作。他们构建了高精度的银河系多体数值模拟模型,对银河系的核球结构做出了崭新的全面认识,提出了银河系核球是个“伪核球”,基于模拟对观测上看到的X型结构进行了轨道分析,并“实验”检验出X型结构可能是核球中三维花生状结构的视觉效应。

2010年,沈俊太基于高精度多体模拟研究了银河系核球的动力学结构,他发现一个棒旋星系模型与核球的众多观测数据吻合得极好,这表明了银河系核球其实就是侧面看到的棒;它主要是由原初的星系盘通过自身动力学不稳定性增厚而产生的“伪核球”。所谓的“伪”,是相对于经典核球而言——经典的星系形成理论预言核球应该是在星系并合过后产生的。

这一结果得到了该团组的进一步证实。观测上,许多侧向的河外星系都有类似的盒状或X型核球。该团组对此前发表的银河系核球模型进行了更仔细的分析,发现模型中也存在一个显著的X型结构,其与银河系的观测数据符合得很好。

这一发现使得他们可以利用数值模拟来“观测”盒状核球的形成过程。他们发现,棒结构的屈曲不稳定性扮演了重要的角色——若棒中恒星在垂直方向上速度分布比较集中(即速度弥散过小),就会触发这样的不稳定性过程,结果棒结构中央部位经过若干次垂直向上的振荡后会迅速隆起,产生了从侧面看到的盒状甚至X型结构。

近日,沈俊太团组刚刚在国际核心期刊上发表的两篇系列论文利用银河系棒/核球数值模型分别研究了X型结构与棒的动力学特性及其三维空间形态。第一项研究进展由硕士研究生秦雨静在研究员沈俊太与副研究员李兆聿的指导下完成,他们验证了带有X型结构的盒状核球确实有规可循——源于棒结构中的恒星运动,指出先前理论工作推测的“香蕉型”轨道家族可能并非X型结构的主要组成部分,并提出了可供未来的银河系巡天观测验证的理论预言。

另一个工作由李兆聿与沈俊太合作完成。他们对观测到的X型结构的内秉空间形态提出了合理的新解释。他们分析了三种情况下的三维密度分布。他们发现,从正向看,密度相同的面(等密度面)均呈椭圆形,而在侧向,等密度面随半径变化:从最内区的盒状结构,到中间区鼓起的花生状核球,再到最外围延展的薄棒。

该工作还首次在棒的中心区发现了一个侧向的盒状结构,它延伸出银盘面大约1600光年(对应银纬约为4°)。但由于银河系核球中心区的观测存在很多的不确定性(如尘埃消光、前景星的影响等),对其证认和识别还存在着较大的挑战。

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