银盘翘曲的“时光动画” 揭示出银河系暗物质晕形状
银盘翘曲的“时光动画” 揭示出银河系暗物质晕形状
近日，中国科学家团队在《自然·天文》期刊发表重要研究成果，首次精确测量出银河系暗物质晕的形状，并揭示了其为接近球形的扁椭球。研究团队基于郭守敬望远镜（LAMOST）和Gaia卫星数据，首创“时光动画”方法，通过观测不同年龄的造父变星样本，直接测量出银盘翘曲的进动方向和速率。
在近邻宇宙中，大多数盘状星系在外区都会表现出像薯片一样的弯曲状态，天文学家称之为翘曲（warp）。银河系作为一个典型的盘状星系，也不例外地表现出翘曲特征。通常认为，翘曲的起源是外盘物质的旋转平面偏离了包裹它的暗物质晕的对称平面。这样一个倾斜的转动银盘就像一个旋转的陀螺，必然会受到暗物质晕施加的引力矩产生进动。然而，翘曲的进动速度这一重要动力学参数，无论是方向和速率的测量都存在巨大的争论，原因是之前的测量都是依赖运动学的间接方法，其使用的示踪天体会因动力学扰动或加热效应而影响其测量的准确度与精度。
图1：左图：旋转的陀螺在重力力矩下产生进动；右图：类比陀螺，银盘翘曲在暗物质晕的力矩下“翩翩起舞（进动）”（上海交通大学设计学院侯开元、董占勋制作的艺术想象图）
这项研究利用Gaia发现的2600颗年轻经典造父变星作为银河系翘曲的示踪天体，并结合LAMOST数据精确测量了这2600颗经典造父变星的距离和年龄，首创了“时光动画”方法，精确描绘了距今2.5亿年间不同年龄切片的银盘三维结构。通过动画“放映”方式，该研究清晰地揭示了银盘翘曲的演化过程，发现翘曲沿着逆太阳旋转方向以2 km/s/kpc（即每百万年0.12度）的速率进动。进一步的精细测量显示，随着造父变星样本离银心距离的增加，翘曲的进动速率逐渐减小。
图2：不同年龄切片的造父变星构建的银盘三维结构以及翘曲节点线随样本年龄的变化（斜率即为翘曲进动速率）
该研究成果得到了两位审稿人的高度评价，一致认为：“‘时光动画’是一项新颖且深具说服力的方法，并首次精确测定出进动的方向和速率”（“the‘motion picture’ approach to measuring the precession rate is novel and convincing” from Referee #1; “as far as I am aware, this is the first time that the warp is constrained to precess in retrograde direction, and its precession rate is accurately measured” from Referee #2）。
这项研究由中国科学院大学、中国科学院国家天文台、北京大学和上海交通大学联合主导，黄样副教授是该论文的共同第一作者和通讯作者。研究团队还包括来自中国科学院国家天文台、北京师范大学和美国圣母大学多家机构的其他天文学家。
本文原文来自中国科学院国家天文台
