近日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)與上海交通大學(xué)合作，在仙女座星系（M31）結(jié)構(gòu)研究方面取得重要進(jìn)展。該研究提出了在星際氣體觀測(cè)數(shù)據(jù)中搜尋激波的新思路，從而給出M31星系是一個(gè)棒旋星系而非普通旋渦星系的獨(dú)立證據(jù)，并利用流體動(dòng)力學(xué)模擬重現(xiàn)了氣體中激波的主要觀測(cè)特征。相關(guān)研究成果發(fā)表在《天體物理期刊》（The Astrophysical Journal）上。該成果于7月25日被美國(guó)天文學(xué)會(huì)（AAS）Nova網(wǎng)站選為研究亮點(diǎn)，以《仙女座星系中的棒》（A Bar in the Andromeda Galaxy）為題在網(wǎng)站頭條報(bào)道。
旋渦星系分為正常旋渦星系與棒旋星系。棒旋星系中心的棒是由恒星構(gòu)成的長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)，是驅(qū)動(dòng)旋渦星系內(nèi)部長(zhǎng)期緩變演化的重要內(nèi)因。M31是距離我們最近的旋渦星系。長(zhǎng)久以來，天文學(xué)家試圖確定M31的星系形態(tài)，從而給出它在著名的哈勃星系分類圖中的位置。而M31相對(duì)于我們的視線方向幾乎是一個(gè)側(cè)向星系，因此較難直接從星系圖像上確定其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征。此前，天文學(xué)家根據(jù)恒星等亮度線的扭曲提出M31可能包含一個(gè)星系棒，但這一現(xiàn)象不一定只能由棒產(chǎn)生，也可以由一個(gè)不轉(zhuǎn)的橢球狀核球產(chǎn)生。氣體觀測(cè)數(shù)據(jù)也暗示M31可能有棒存在，如顯著的氣體非圓周運(yùn)動(dòng)、扭曲的零速度線等。然而，其他機(jī)制例如與另一個(gè)星系的并合過程也會(huì)導(dǎo)致類似的特征。作為一個(gè)具有顯著經(jīng)典核球成分的星系，對(duì)于M31是否是一個(gè)棒旋星系存在爭(zhēng)議，而確定M31的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將為天文學(xué)家更好地闡釋我們的近鄰星系的結(jié)構(gòu)演化提供幫助。
為解決這一問題，科研團(tuán)隊(duì)提出了在星際氣體觀測(cè)數(shù)據(jù)中搜尋激波的新思路，從而給出了M31星系是一個(gè)棒旋星系而非普通旋渦星系的獨(dú)立證據(jù)，并利用流體動(dòng)力學(xué)模擬重現(xiàn)了氣體中激波的主要觀測(cè)特征。
當(dāng)旋渦星系的棒驅(qū)動(dòng)星際介質(zhì)內(nèi)流時(shí)，會(huì)引發(fā)激波。這種激波會(huì)產(chǎn)生棒旋星系最顯著的特征之一——在棒前導(dǎo)側(cè)（leading side）會(huì)形成一對(duì)塵埃帶，其尺度與棒長(zhǎng)相仿。上海交通大學(xué)教授沈俊太表示，激波會(huì)在位置-視向速度圖（position-velocity diagram）上展現(xiàn)出急劇的速度跳變特征。而這種劇烈的速度跳變特征能夠被積分視場(chǎng)光譜儀（integral field unit，IFU）捕獲并分辨。如果這些激波特征符合棒旋星系激波的規(guī)律，那么就能明確證明M31星系中存在棒。
基于這一思路，科研團(tuán)隊(duì)利用最新的積分視場(chǎng)光譜儀VIRUS-W對(duì)M31中電離氧氣體發(fā)射線[OIII]的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合中性氫原子氣體（HI）的數(shù)據(jù)，提取了垂直于星系盤主軸方向不同切片內(nèi)的位置-視向速度圖，最終通過邊緣檢測(cè)算法識(shí)別出M31星系[OIII]和HI數(shù)據(jù)中的激波特征（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，這些激波特征較為規(guī)律地分布在千秒差距（kpc）量級(jí)的尺度上（圖2）。目前，最新的恒星動(dòng)力學(xué)模型認(rèn)為M31星系的棒主軸角度與盤主軸相差約17度。如果這樣的假設(shè)成立，那么激波特征的確主要分布在棒的前導(dǎo)側(cè)，這與棒旋星系的理論預(yù)期一致?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)這些激波特征主要分布在M31的核球區(qū)域，其速度跳變最強(qiáng)可超過170千米/秒，速度梯度可達(dá)1.2千米/秒/秒差距。”上海天文臺(tái)博士研究生馮子軒表示，“我們面臨的問題是，基于旋轉(zhuǎn)星系棒勢(shì)場(chǎng)的流體數(shù)值模擬能否重現(xiàn)這樣急劇的激波特征?！毖芯拷Y(jié)合最新的恒星動(dòng)力學(xué)模型，模擬了不同棒轉(zhuǎn)速、氣體有效聲速和觀測(cè)視角下的氣體運(yùn)動(dòng)，最終得到了與觀測(cè)結(jié)果基本一致的模型（圖3）。模型中的激波位置和速度跳變特征與觀測(cè)中的基本一致，該模型棒的轉(zhuǎn)速為20千米/秒/千秒差距，氣體有效聲速為30千米/秒。棒主軸的方位角和氣體盤傾角分別為54.7度和77度。研究還測(cè)試了用無旋轉(zhuǎn)的棒來類比橢球狀核球結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)無旋轉(zhuǎn)的棒無法產(chǎn)生激波，也不會(huì)有明顯的速度跳變特征。這些發(fā)現(xiàn)都進(jìn)一步表明M31擁有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的中心棒，而非一個(gè)靜態(tài)的橢球狀核球。
本次研究給出了M31星系有棒結(jié)構(gòu)的明確的觀測(cè)證據(jù)，有助于揭示M31結(jié)構(gòu)形成及動(dòng)力學(xué)演化歷史，而確定了M31的棒結(jié)構(gòu)將為天文學(xué)家更好地闡釋我們的近鄰星系的結(jié)構(gòu)演化提供幫助?？蒲腥藛T將在后續(xù)研究中將觀測(cè)到的氣體特征與更多氣體動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)行詳細(xì)比較，以期更好地闡明M31中心的氣體特征以及明確M31棒的主要參數(shù)。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、上海交通大學(xué)等的支持。本工作的數(shù)值模擬使用上海天文臺(tái)Cluster集群和上海交通大學(xué)天文系Gravity集群。德國(guó)馬克斯·普朗克科學(xué)促進(jìn)會(huì)地外物理研究所Ortwin Gerhard團(tuán)組參與研究。
圖1.M31星系在遠(yuǎn)離我們一側(cè)的[OIII]的激波特征。波長(zhǎng)為500納米左右的二次電離氧[OIII]雙發(fā)射線是可見光譜中的禁線，只可能在非常低密度的宇宙環(huán)境下出現(xiàn)，是VIRUS-W光譜儀波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最主要發(fā)射線之一。數(shù)據(jù)點(diǎn)代表[OIII]的觀測(cè)數(shù)據(jù)，顏色代表流量密度。每一個(gè)子圖對(duì)應(yīng)一個(gè)垂直于盤主軸的切片。X代表切片在盤主軸上的位置。黑色曲線代表數(shù)據(jù)點(diǎn)被平滑后的結(jié)果。紅色粗線，細(xì)線和虛線分別代表最強(qiáng)的，較強(qiáng)的和較弱的激波特征。大多數(shù)激波特征分布在星系的遠(yuǎn)端（在盤主軸下方）。
圖2.[OIII]和HI激波特征在M31星系內(nèi)的空間分布。背景光學(xué)圖像來源于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、Subaru望遠(yuǎn)鏡、Mayall望遠(yuǎn)鏡。紅色圓圈和藍(lán)色三角形分別代表[OIII]和HI中的激波位置。實(shí)心，空心和虛框表示的標(biāo)志分別代表最強(qiáng)的，較強(qiáng)的和較弱的激波特征。虛線代表最新動(dòng)力學(xué)模型中的棒主軸方向。
圖3.M31星系的氣體動(dòng)力學(xué)模型。左側(cè)展示了M31模型投影至天空平面后（左上角）和投影前（左下角）的氣體面密度分布。其中粉色圓圈和紫色三角形分別代表[OIII]和HI數(shù)據(jù)中的激波位置。右側(cè)展示了不同切片對(duì)應(yīng)的位置-視向速度圖，黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)代表模型中氣體的速度分布，紅色和藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)分別代表[OIII]和HI的觀測(cè)數(shù)據(jù)。右下角為右上角圖片在激波處的放大版本，虛線代表無旋轉(zhuǎn)的棒模型。
來源：中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)
