近日，中國科學院上海天文臺牽頭的科研團隊提出了一個新的、定量的星系結構模型，將類似銀河系的一般盤狀星系的幾何結構描繪成一塊“巧克力碎餅干”（Chocolate Chips Cookie）——星系中的老年恒星及其間的彌散星系介質構成了“餅干”的主要成分，而呈團塊狀分布的恒星形成區域則構成了顏色較暗的“巧克力碎”。這項研究定量分析了盤狀星系在不同視線方向上的觀測特征，為盤狀星系中的恒星及塵埃的空間分布提供了全局性的幾何分布模型，為完整描述盤狀星系中塵埃的輻射轉移過程打下堅實基礎。相關研究成果于10月21日發表在《Astrophysical Journal》上。
宇宙中大部分星系都經歷了上百億年的恒星形成和演化過程。對大部分星系來說，它們雖然已經過了其恒星形成最為熾烈的“壯年期”，但直到今天仍然在持續不斷地形成新的恒星。這些新的恒星在低溫的氣體云中誕生，它們的熾熱輻射將周圍的部分氣體電離，使得天文學家可以通過這些電離氣體的閃光來追蹤其誕生區域。在星系的演化歷程中，一代代恒星在核聚變中產生了各種重元素。這些重元素在冷的氣體云中通過復雜的物理和化學反應逐漸形成了固體小顆粒——天文學家稱之為“塵埃”。這些塵埃不僅構成了人類眼中的大千世界，更是由于它們對星光的吸收、散射和再輻射使得星系在不同的電磁波段呈現完全不同的風貌（圖1）。
圖1. 銀河系在不同電磁波段的形態(圖片來源：NASA)[1]
(資料圖片)
今天，天文學家通過大規模的“普查”發現，近鄰的宇宙中存在大量與銀河系相似的盤狀星系。這些盤狀星系中，老年恒星及恒星間彌散的星際塵埃呈現連續的扁平結構分布，而新的恒星形成區域及其周圍的塵埃包層則呈現為團塊狀并分布在一個更為扁平的盤狀結構中。也正由于塵埃對星光的吸收作用，以及塵埃和恒星之間的復雜幾何分布，使得盤狀星系從不同的角度看上去是“橫看成嶺側成峰”，平添宇宙中幾多壯美的風景（圖2）。
圖2. 盤狀星系的正面照：風車星系M101（左）；盤狀星系側面照：草帽星系M104（右）。星系圖片中的暗淡區域均為塵埃的減光過程所引起（圖片來源：NASA）[2]。
法國學者Stéphane Charlot和美國學者Michael Fall在2000年提出了一個局域的恒星和塵埃分布的幾何模型（圖3）。在該模型中，年輕的恒星形成區域被連續的老年恒星及其間的彌散塵埃所包圍，因此可以定性地解釋河外星系中恒星形成區平均受到的塵埃消光要高于老年恒星的觀測現象。但是，在更大尺度的范圍上，盤狀星系作為一個整體來說，其不同年齡的恒星及其相應的塵埃成分又呈現什么樣的幾何分布呢？
圖3. Charlot & Fall在2000年提出的一個星系中恒星與塵埃分布的區域的幾何模型：陰影區域表征塵埃，大的雪花表示新形成的恒星，而小的雪花代表老年恒星[3]。
近日，來自中國科學院上海天文臺和紫金山天文臺的聯合科研團隊在Charlot& Fall的局域模型基礎上構建了一個新的盤狀星系的整體結構模型——“巧克力碎餅干”模型（Chocolate chips cookie model，圖4）。通過該模型的分析，研究人員發現老年的恒星及其中彌漫的星際介質構成了餅干的主體，而其中內嵌的巧克力碎片則形象地描繪了新的恒星誕生區域。這些新的恒星還沒有完全脫離其母體星云，其外圍星云中的塵埃仍然對星云內部的輻射產生了顯著吸收，使得這些恒星形成區域看上去就像一塊顏色較深的“巧克力碎”。由于觀測者只能看到星系某個角度的圖像，所以對于一般的盤狀星系這樣的整塊“餅干”來說，難點在于準確地給出其中“巧克力碎”——即新生恒星區域——的含量和分布特征。為了突破這個難點，研究人員在近鄰宇宙的大樣本星系中精心選擇了一組與銀河系質量相當的盤狀星系作為研究對象。這些星系的盤面相對于觀測者來說具有隨機的指向——這在某種程度上等價為對一個銀河系這樣的典型星系從各個不同的角度進行了全方位觀測?；谶@樣一個帶著“宇宙學原理”特色的想法，研究人員成功地建立了一個定量的“巧克力碎餅干”模型，并能完美復現盤狀星系中的塵埃在不同觀測角度上對老年恒星和年輕恒星區域所產生的不同觀測效應。在該模型中，對于銀河系這樣的典型盤狀星系來說，其恒星形成區（“巧克力碎”）的盤面厚度僅為老年恒星分布（“餅干主體”）的一半，但在其徑向上的延展程度卻高出60%。
“本次研究提出的模型不僅能夠在統計上解釋盤狀星系由塵埃消光引起的各觀測特征外，還能預言它們的典型物理特征，從而可以和銀河系這樣的典型盤狀星系的細致觀測結果進行進一步比較。”該研究的第一作者、上海天文臺博士研究生盧家風表示，“比如說，通過對模型的細致分析，我們發現在像銀河系這樣的盤狀星系‘餅干’中，大約存在一萬個左右能夠看得見的‘巧克力碎’。有意思的是，這樣基于模型的理論分析和銀河系中對恒星形成區域及相應年輕星團的觀測結果具有很好的一致性。這在一定程度上也說明了我們的銀河系在宇宙中具有一般性。”
該研究的通訊作者、上海天文臺沈世銀研究員展望道：“本次研究提出的模型在未來還將進行進一步拓展，并期望將其應用于盤狀星系中塵埃的輻射過程。這樣我們就可以進一步復現和解釋像銀河系這樣的典型的盤狀星系在紅外波段的觀測特征。”
圖4. 盤狀星系的“巧克力碎餅干”模型：老年恒星連續分布，構成餅干的主體；恒星形成區域呈團塊狀分布，由于外圍有更多的塵埃，看上去像巧克力碎。
本項目主要由自然科學基金面上項目支持。
參考文獻：
[1] Multiwavelength Milky Way Images: https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/mwmw/mmw_images.html
[2] Hubbles Messier Images: https://www.nasa.gov/content/goddard/hubble-s-messier-catalog
[3] Charlot, Stéphane ; Fall, S. Michael， 2000，ApJ， 539，718
論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac92e9
標簽： 星系結構
