10月5日，《美國科學院院報》（PNAS）刊文介紹銀河系旋臂結構測量的最新研究成果，其中包括中國科學院紫金山天文臺徐燁領導的團隊及其國際合作團隊的系列研究成果。特選編摘譯。
文 | Ken Croswell
譯 | 林澤昊（紫金山天文臺 博士研究生）
M51（渦狀星系）是人類認識的第一個旋渦星系，距離我們2800萬光年，熾熱的藍色恆星和粉紅色的電離氫雲點綴出清晰的旋臂結構，令人歎為觀止。這個由梅西耶（Charles Messier）於1773年10月13日發現的“非常暗的星雲”，在1845年春，被Rosse爵士用1.8米口徑反射望遠鏡首次發現了其中的螺旋結構。一個多世紀後的1951年，天文學家才證明我們身在其中的銀河系也是一個旋渦星系，而要精確繪製銀河系的旋臂就更是難上加難了。正所謂“不識廬山真面目，只緣身在此山中“。
旋渦星系M51 | 圖源：NASA, Hubble Heritage Team, (STScI/AURA), ESA, S. Beckwith (STScI), 附加處理：Robert Gendler
旋渦星系
旋渦星系的旋臂擠壓星際氣體和塵埃雲，促使它們坍塌併產生新的恆星。旋臂發出藍色和粉色的光：藍色來自熾熱的新生恆星，粉紅色來自原子氫雲，這些新生恆星透過撕裂電子電離原子氫雲，當電子與原子複合時，發出紅光。
透過估計電離氫雲中藍色恆星的距離，可以繪製這些氣體雲的導覽圖。上世紀五十年代初，葉凱士天文臺的William Morgan和同事發現了銀河系中最近的三條旋臂[1,2]。獵戶臂（Orion Arm）的內邊緣棲息著地球及它所在的太陽系，因此又被稱為本地臂（Local Arm），其內外兩側分別是人馬臂（Sagittarius Arm）和英仙臂（Perseus Arm）。
隨後的一些研究工作卻認為本地臂只不過是主旋臂上的刺——甚至完全可以忽略，這就讓地球只能潛伏在人馬臂和英仙臂之間的黑暗區域裡，凝視兩側巨大旋臂上不斷誕生的新生恆星。
本地臂的崛起
但現在一切都變了。在過去的十年裡，射電天文學家已經精確測定了一批藍色熾熱新生恆星的距離。這些恆星照亮旋臂，讓銀河系的旋渦結構輪廓更清晰。得益於準確性和射電波段的優點，新觀測能夠看到比以前更遠的恆星。星際塵埃吸收了這些遙遠恆星的可見光，但射電波能穿過塵埃，讓天文學家繪製出銀河系旋臂全景圖。
射電天文學家透過使用一種古老而可靠的技術來測量年輕恆星的距離：視差測量。這是一種由地球圍繞太陽的公轉引起的似動現象。在一年當中，當觀測者從不同的角度觀察一顆恆星時，會看到它的位置略有變化。離得越遠的恆星，視差越小，測量很難。即使在十年前，視差法在幾百光年之外的距離就很難奏效了，而幾百光年僅僅是銀河系的零光片羽。
為測量更遙遠恆星的微小視差，射電天文學家將望遠鏡連網組成橫跨大陸的巨大陣列。不可思議的是，只要恆星發出射電波，這種方法就能確定銀河系中心以外，距離我們數萬光年的恆星。幸運的是，旋臂中的一些大質量恆星激發了周圍氣體雲中水和甲醇分子的電子。當電子失去能量時，它們會像鐳射一樣發射出強烈的微波，即脈澤。它們看起來像是小而明亮的射電點源。射電望遠鏡透過一年的監測，測量它們的視差，從而得出恆星的距離。
大約十年前，天鵝座（Cygnus）中的脈澤視差測量發現了一個大驚喜。在這個北天的大型星座裡，擠滿了位於本地臂一端的恆星，同時還包含了英仙臂——無數藍色新生恆星誕生的地方。但是脈澤視差圖卻顯示，許多天鵝座的新生恆星其實離我們更近一些，沿視線方向排列在本地臂上。其中一個原以為在英仙臂上距離地球19,000光年的脈澤，實際距離只有11,000光年，它被牢牢地定格在本地臂上[4]。
“人們豁然開朗，原來本地臂上正在形成大量的大質量恆星，而且比以前想象的要長得多，它實際上可能一直延伸到英仙臂。”哈佛-史密森天體物理中心的射電天文學家Mark Reid說到。他領導了脈澤研究的大部分工作。
對脈澤視差測量的初期研究表明，本地臂至少長16,000光年。但之後，Reid和其他天文學家透過測量銀河系中大約200個脈澤的視差，得到本地臂的長度至少為26,000光年[5]，這相當於太陽到銀河系中心的距離。
遺憾的是，天文學家還是不知道本地臂的全長到底是多少，部分原因是本地臂在南天部分的情況目前尚不清楚。那一段本地臂伸向帆船座(Vela，南天星座)，北半球的大多數望遠鏡都觀測不到。不過，Reid表示本地臂向天鵝座方向的延伸可能比向帆船座的延伸更長。他目前正在與澳大利亞和紐西蘭的天文學家合作，以描繪本地臂在南天的分佈。
Gaia——天空之眼
2013年，由歐洲航天局發射的蓋亞衛星（Gaia）能夠對全天進行掃描，透過測量視差得到數億顆恆星的距離。儘管這顆衛星在可見光波段工作，無法穿透隱藏在銀河系盤遠處的塵埃，但是Gaia已經給出了我們附近年輕星的分佈情況。
2020年12月，Gaia釋放了最新一批的資料，提供了超過一千顆O型星的精確距離。O型星是最熾熱且質量最大的新生恆星，由於質量超大，所以非常亮，很容易被看到。然而，超高亮度也導致它們會在一千萬年內死亡，幾乎沒有時間逃離位於旋臂上的出生地。這些使得他們成為示蹤旋臂位置的最理想天體。
M101（風車星系 ）| 圖源：HST /NASA, ESA, STScI; CFHT; NOAO/AURA/NSF
“值得注意的是，使用O型星示蹤的本地臂顯而易見，其延伸長度也超出了之前的預測，它似乎更類似於主旋臂的特徵”紫金山天文臺徐燁在文中寫道[6]。他認為銀河系的旋臂結構與漂亮的旋渦星系M101類似。透過利用Gaia最新資料進行研究，他估計本地臂的長度至少為25,000光年，與Reid使用脈澤視差得到的結果相符合。
銀河系鳥瞰圖：O型星(小點)和脈澤(三角形)以及太陽(大黃點)。銀心在底部，星系棒為灰色橢圓。本地臂（橙色）向帆船座（Vela）方向延伸(9點鐘方向)，但一些天文學家認為本地臂向船尾座（Puppis）(10點鐘方向)。該圖取自參考文獻[6]，藝術加工：Lucy Reading。
今年三月，第三個研究團隊報告了關於本地臂長度的相同結論[7]。法國蔚藍海岸大學的Eloisa Poggio教授和同事使用Gaia資料繪製了成千上萬顆藍色恆星的分佈情況，其中大部分恆星的年齡小於一億年。在北天，朝向天鵝座方向，研究人員看到本地臂延伸到他們的資料極限，距地球約13,000光年。與其它研究團隊不同的是，它們看到本地臂在南天的延伸長度也是13,000光年。於是他們給出了本地臂的全長是26,000光年的結論。
在其它方面也還有一些差異。Poggio團隊發現在南天，本地臂不是穿過帆船座，而是穿過船尾座（Puppis）。如果這個結論是對的，這意味著本地臂比天文學家原本想象的還要更向外部盤旋。但是其他天文學家卻已將船尾座中的恆星分配給了英仙臂。
天文學家也沒有確定本地臂中恆星的混合。人馬臂包含大量的年輕星，但與旋臂之間較暗的區域相比，它可能沒有過多的年老恆星。相反，英仙臂則同時包含大量的年輕和年老星。但是還沒有人知道本地臂的情況。
未來的研究會使這些問題更為明確。特別是南天的脈澤視差將會清晰地繪製出那裡的本地臂形態，而更多的Gaia資料將會使其結果更為精確。每一次的資料釋放都將會使結果變得越來越好。這些進步將會驅使天文學家繪製出更多的本地臂圖樣，揭示我們鄰近家園的全貌。
參考資料：
[1] Morgan, W. W., Sharpless, S., & Osterbrock, D. 1952, AJ, 57, 3. doi:10.1086/106673
[2] Morgan, W. W., Whitford, A. E., & Code, A. D. 1953, ApJ, 118, 318. doi:10.1086/145754
[3] Georgelin, Y. M. & Georgelin, Y. P. 1976, A&A, 49, 57 3
[4] Xu, Y., Li, J. J., Reid, M. J., et al. 2013, ApJ, 769, 15. doi:10.1088/0004-637X/769/1/15
[5] Reid, M. J., Menten, K. M., Brunthaler, A., et al. 2019, ApJ, 885, 131. doi:10.3847/1538-4357/ab4a11
[6] Xu, Y., Hou, L. G., Bian, S. B., et al. 2021, A&A, 645, L8. doi:10.1051/0004-6361/202040103
[7] Poggio, E., Drimmel, R., Cantat-Gaudin, T., et al. 2021, A&A, 651, A104. doi:10.1051/0004-6361/202140687
作者簡介
Ken Croswell ：科學專欄作家。
譯者簡介
林澤昊 ：中國科學院紫金山天文臺博士研究生。研究方向：銀河系旋臂結構。
輪值主編：蘇楊
編輯：王科超
