近日,由云南大學(xué)陳丙秋教授、李廣興副教授,北京師范大學(xué)苑海波教授和國(guó)家天文臺(tái)向茂盛研究員等人組成的研究團(tuán)隊(duì),在銀河系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。他們利用國(guó)家天文臺(tái)負(fù)責(zé)運(yùn)行的郭守敬望遠(yuǎn)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(duì)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(jìn)行了精確的動(dòng)力學(xué)測(cè)量與物理性質(zhì)研究,揭示了其作為一個(gè)大尺度、長(zhǎng)壽命、緩慢膨脹的準(zhǔn)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上。
恒星反饋是驅(qū)動(dòng)星系演化的關(guān)鍵機(jī)制之一,韋布空間望遠(yuǎn)鏡(JWST)在遙遠(yuǎn)星系中觀測(cè)到的大量泡(bubble)結(jié)構(gòu),正是這一過(guò)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(qiáng)烈星風(fēng)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(kāi),形成尺度各異的空洞。其中,超泡直徑可達(dá)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(jì)念碑。然而,受限于觀測(cè)技術(shù),天文學(xué)家對(duì)這類結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)、演化歷史與維持機(jī)制仍了解有限。在銀河系內(nèi),一個(gè)典型的例子是本地泡——我們的太陽(yáng)系正位于其中。過(guò)去數(shù)十年間,天文學(xué)家已對(duì)本地泡開(kāi)展了系統(tǒng)研究,確認(rèn)其直徑約600光年,可能由近千萬(wàn)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(shí)便顯得捉襟見(jiàn)肘。尤其是對(duì)于英仙臂上直徑超過(guò)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(gè)未解的謎團(tuán)。
研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合LAMOST的大規(guī)模光譜數(shù)據(jù)和Gaia的高精度天體測(cè)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(dòng)力學(xué)特征的理想示蹤體。通過(guò)精確測(cè)定這些恒星的三維位置和三維空間運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)模式:它們以約6.2 km/s的速度從空洞中心向外擴(kuò)張(圖2)。研究團(tuán)隊(duì)由此計(jì)算出該超泡的膨脹時(shí)標(biāo)則長(zhǎng)達(dá)約8000萬(wàn)年,表明其是一個(gè)持續(xù)了漫長(zhǎng)歲月的古老結(jié)構(gòu)。進(jìn)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(shí)標(biāo)可達(dá)約2.5億年,而其內(nèi)部預(yù)期發(fā)生的超新星爆發(fā)間隔僅為約10萬(wàn)年。這些關(guān)鍵時(shí)標(biāo)滿足“超新星爆發(fā)間隔 < 銀河系剪切時(shí)標(biāo) < 超泡生存時(shí)標(biāo)”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(bǔ)充能量和動(dòng)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(lái)的剪切破壞效應(yīng),從而維持這個(gè)巨大空洞結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)和一對(duì)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(gè)處于動(dòng)態(tài)平衡中的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)超泡,”論文共同通訊作者、云南大學(xué)李廣興副教授解釋道,“超新星像接力賽一樣,不斷為這個(gè)宇宙氣泡充能,使其在銀河系的風(fēng)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(jī)制,提供了關(guān)鍵的銀河系本地觀測(cè)依據(jù)?!?/p>
“這項(xiàng)工作生動(dòng)展示了大規(guī)模光譜巡天如LAMOST與高精度天體測(cè)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(xué)陳丙秋教授補(bǔ)充道,“它使我們能夠以前所未有的精度,在三維空間中對(duì)銀河系這類巨大結(jié)構(gòu)進(jìn)行解剖,并理解其形成和維持的物理機(jī)制?!?/p>
此項(xiàng)研究不僅確認(rèn)了巨型橢圓空腔作為銀河系標(biāo)桿性巨大超泡結(jié)構(gòu)的物理本質(zhì),深化了我們對(duì)恒星反饋如何塑造星際介質(zhì)和星系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),也為理解其他星系中觀測(cè)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(xué)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(tuán)隊(duì)包括北京師范大學(xué)苑海波教授,中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)向茂盛研究員和陳品健同學(xué),英國(guó)卡迪夫大學(xué)周吉璇同學(xué),以及英國(guó)赫特福德大學(xué)Martin Krause教授和Ashley Coombs博士。