近日,由云南大學陳丙秋教授、李廣興副教授,北京師范大學苑海波教授和國家天文臺向茂盛研究員等人組成的研究團隊,在銀河系結(jié)構(gòu)研究領域取得新進展。他們利用國家天文臺負責運行的郭守敬望遠鏡(LAMOST)光譜數(shù)據(jù),并結(jié)合歐洲空間局蓋亞衛(wèi)星(Gaia)的巡天數(shù)據(jù),首次對銀河系中已知最大的超泡(supperbubble)結(jié)構(gòu)——巨型橢圓空腔(Giant Oval Cavity)進行了精確的動力學測量與物理性質(zhì)研究,揭示了其作為一個大尺度、長壽命、緩慢膨脹的準穩(wěn)態(tài)超泡的本質(zhì)。該研究成果于近日在線發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上。
恒星反饋是驅(qū)動星系演化的關(guān)鍵機制之一,韋布空間望遠鏡(JWST)在遙遠星系中觀測到的大量泡(bubble)結(jié)構(gòu),正是這一過程的直觀體現(xiàn)(圖1)。這些被稱為泡或超泡的結(jié)構(gòu),源自大質(zhì)量恒星的強烈星風及其生命末期超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的巨大能量,共同將周圍的星際物質(zhì)推開,形成尺度各異的空洞。其中,超泡直徑可達數(shù)千光年,通常由多代恒星共同塑造,可視為星系中能量與物質(zhì)循環(huán)的紀念碑。然而,受限于觀測技術(shù),天文學家對這類結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)、演化歷史與維持機制仍了解有限。在銀河系內(nèi),一個典型的例子是本地泡——我們的太陽系正位于其中。過去數(shù)十年間,天文學家已對本地泡開展了系統(tǒng)研究,確認其直徑約600光年,可能由近千萬年內(nèi)約20次超新星爆發(fā)共同塑造,至今仍慢膨脹。然而,若將視線從本地移向銀河系更深處,我們的知識便顯得捉襟見肘。尤其是對于英仙臂上直徑超過3000光年的巨型橢圓空腔這類更為巨大的結(jié)構(gòu),其本質(zhì)狀態(tài)更是一個未解的謎團。
研究團隊結(jié)合LAMOST的大規(guī)模光譜數(shù)據(jù)和Gaia的高精度天體測量數(shù)據(jù),篩選出369顆非常年輕的O型及早期B型星,這些恒星是追蹤銀河系氣體結(jié)構(gòu)和動力學特征的理想示蹤體。通過精確測定這些恒星的三維位置和三維空間運動速度,研究人員發(fā)現(xiàn),位于巨型橢圓空腔邊緣的年輕恒星,表現(xiàn)出顯著的一致性運動模式:它們以約6.2 km/s的速度從空洞中心向外擴張(圖2)。研究團隊由此計算出該超泡的膨脹時標則長達約8000萬年,表明其是一個持續(xù)了漫長歲月的古老結(jié)構(gòu)。進一步的分析估算出該超泡在銀河系湍流星際介質(zhì)中的生存時標可達約2.5億年,而其內(nèi)部預期發(fā)生的超新星爆發(fā)間隔僅為約10萬年。這些關(guān)鍵時標滿足“超新星爆發(fā)間隔 < 銀河系剪切時標 < 超泡生存時標”的關(guān)系。這意味著,超泡內(nèi)部的超新星爆發(fā)能夠持續(xù)、快速地為其補充能量和動量,足以抗衡星際介質(zhì)的環(huán)境壓力以及銀河系較差旋轉(zhuǎn)帶來的剪切破壞效應,從而維持這個巨大空洞結(jié)構(gòu)的長期存在和緩慢膨脹。

圖1.JWST拍攝的“幻影星系” NGC 628圖片 (Image credit: NASA/ESA/CSA/Judy Schmidt)。

圖2. 巨型橢圓空腔周圍年輕恒星的膨脹運動示意圖。圖中,洋紅色箭頭代表的星群整體速度,可分解為共同的運動和一對方向相反的膨脹分量(紅色箭頭),
清晰地展示了空洞的膨脹現(xiàn)象。背景的塵埃分布灰度圖勾勒出超泡輪廓。本圖摘自論文成果圖。
“我們的研究表明,巨型橢圓空腔是一個處于動態(tài)平衡中的準穩(wěn)態(tài)超泡,”論文共同通訊作者、云南大學李廣興副教授解釋道,“超新星像接力賽一樣,不斷為這個宇宙氣泡充能,使其在銀河系的風吹雨打(剪切和湍流)中保持了宏觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。這為解釋JWST在星系NGC 628中發(fā)現(xiàn)的幻影氣泡(Phantom Bubble)的起源與物理機制,提供了關(guān)鍵的銀河系本地觀測依據(jù)?!?/p>
“這項工作生動展示了大規(guī)模光譜巡天如LAMOST與高精度天體測量如Gaia相結(jié)合所產(chǎn)生的巨大威力,”論文第一作者以及共同通訊作者、云南大學陳丙秋教授補充道,“它使我們能夠以前所未有的精度,在三維空間中對銀河系這類巨大結(jié)構(gòu)進行解剖,并理解其形成和維持的物理機制。”
此項研究不僅確認了巨型橢圓空腔作為銀河系標桿性巨大超泡結(jié)構(gòu)的物理本質(zhì),深化了我們對恒星反饋如何塑造星際介質(zhì)和星系結(jié)構(gòu)的認識,也為理解其他星系中觀測到的大量類似泡結(jié)構(gòu)的起源和演化提供了重要的銀河系本地范例。
云南大學陳丙秋教授為論文第一作者,陳丙秋教授與李廣興副教授為共同通訊作者。合作團隊包括北京師范大學苑海波教授,中國科學院國家天文臺向茂盛研究員和陳品健同學,英國卡迪夫大學周吉璇同學,以及英國赫特福德大學Martin Krause教授和Ashley Coombs博士。