上海天文台揭秘银河系核球的X型结构

　　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。这一系列工作均发表在国际核心期刊《天体物理杂志》（ApJ）及《天体物理杂志快报》（ApJL）上，并得到了美国国家光学天文台首页报道，也被国际同行广泛引用。

　　 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”（Shen et al. 2010）。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（如图1）。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（Li & Shen, ApJL, 2012）。

　　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。“但是，关于这个奇特X型结构的具体三维空间形态、主要的轨道组成以及动力学性质等仍然存在很大的争议。这是我们团组得到这一发现后准备继续攻关的方向。”沈俊太说。

　　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（秦雨静等2015，ApJ）及其三维空间形态（李兆聿与沈俊太，2015，ApJL）。

　　 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。

　　 “假设观测者在太阳的位置上，他将看到银河系X型结构中的恒星如何运动呢？我们模拟了这位观测者将看到的恒星运动”，秦雨静说，“我们发现，模拟结果与现有的观测定性上吻合得很好：在棒的近端，有更多的恒星朝向观测者运动；而在棒的远端，则有更多的恒星远离观测者而动。”

　　他们还发现恒星视向速度与银经方向的自行也存在明显的相关性。这表明，模型中的恒星运动呈现出一定的整体规律。这样的结果可以用棒结构中恒星运动的轨道家族来解释。先前的理论工作推测，盒状核球与X型结构可能与一类特殊的恒星轨道家族——“香蕉形”轨道有关联。倘若盒状结构由这类轨道构成，那么这些恒星在银纬方向的自行与视向速度则可能存在一定的相关性。然而，模型中的恒星运动没有出现预期的相关性，这表明“香蕉形”轨道可能并非X型结构的主要组成部分。支持X型结构的恒星轨道家族仍然有待后续研究。

　　 “我们还检验了另外两项与X型结构相关的国际同行的工作：其中一个工作认为X型结构可以用来确定太阳到银心的距离。我们验证了这一方法的可行性。而另外一项工作尝试以X型结构中恒星的运动来估计棒结构的转动速度，但我们的研究则表明这样的方法不能得到准确的结果”，沈俊太表示。

　　“当前国际上已经规划实施了若干针对银河系结构与动力学的巡天观测项目，而我们在核球动力学方面的模拟工作为这些巡天计划提供了可供比对的理论预言。实际上，这一工作的部分预测已经得到了独立观测结果的验证，例如，模型显示银河系核球区视向速度弥散的分布在银纬方向被拉长（图2），而类似的观测结果已经在智利的GIBS巡天中得到验证。”秦雨静说。

　　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。“我们已知道棒结构的屈曲不稳定性在X型结构的形成过程中起到了重要作用，但细节并不是很清楚，”李兆聿说，“所以我们假设棒结构经历了不同程度的不稳定性，然后去模拟各自演化的结果。”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（图3及所附动画）。

　　 “通过分析不同半径处的等密度面，我们无法找到一个类似于字母X的清晰结构。这似乎与我们从观测与模拟中得到的直观感受不符。”李兆聿说。他表示，X型结构很可能是花生核球所产生的一个视觉表象，在花生核球内区叠加在一起的凹陷的等密度面放大了X型结构在视觉上的效应（图3）。“花生核球本身即可定性地重构出观测到的恒星距离分布的双峰现象，” 沈俊太表示，“该现象也正是被之前的观测者作为X型结构存在的主要证据，而这种结构真正的三维空间形态应该是花生状。”

　　 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。

　　 上海天文台星系动力学团组的核球系列论文在短短几年内已被国际同行引用两百余次，并且被众多权威综述论文以及剑桥大学主编的国际参考书收入并配发原图。鉴于这些工作的国际影响力，沈俊太和李兆聿还应邀为国际学术专著《星系核球》撰写了关于银河系核球的理论模型的一章（该书已由欧洲Springer出版社在2015年末正式出版）。