上海交大沈俊太团队以气体动力学模型揭示银河系物质分布

　　近日，上海交通大学物理与天文学院的沈俊太教授团组在银河系结构研究上取得重要进展。该研究成果在近期发表于国际天文权威期刊《天体物理期刊》（The Astrophysical Journal），题为《银河系中的气体动力学：总质量分布及棒旋转速度》（Gas Dynamics in the Galaxy: Total Mass Distribution and the Bar Pattern Speed）。
　　作为我们太阳系所在的星系，银河系在理解星系形成与演化中具有不可替代的地位。长久以来，天文学家一直试图确定银河系在形态上隶属哪一类星系。但由于太阳系身处银河系内部，如何给银河系来张＂自拍照＂是一项非常具有挑战性的课题。在结合了多年的观测数据及理论模型之后，目前学界一般认为银河系是一个带棒的旋涡星系，但是棒结构的特性，旋臂的数目，以及银河系内区（距离银心约10千秒差距内）的物质分布等关键问题依然存在争议。针对这一问题，沈俊太团队于最近的论文中利用气体动力学模型给出了银河系结构特征的独立约束，并获取了目前最为准确的银河系内区引力势场模型及自转曲线。
　　为何需要气体动力学模型？
　　尽管Gaia卫星近几年来已经测量了近十亿颗恒星的距离来对银河系进行测绘，但其在探测盘面结构上受制于光学波段的尘埃遮挡及较远恒星（特别是银心另一侧）距离测量的不确定性。而中性氢原子或一氧化碳气体发出的射电辐射则不受尘埃影响，可以用来更好地示踪整个银盘结构。但银河系中的气体是弥散分布的，很难精确测量单个气体云团相对太阳的距离，因此研究中一般引入运动学信息将气体数据展示在银经-视向速度图（longitude-velocity diagram）上。因为距离未知，我们需要构建一个依赖银河系引力势场的气体动力学模型才能同时解释观测到的气体位置（longitude）及速度（velocity），进而还原气体在三维空间中的分布。
　　基于这个思路，研究团队结合最新的恒星动力学模型的结果，测试了近百种不同的银河系势场下的气体运动，最终得到了与观测结果最匹配的模型（图1）。该图对比了模型和观测的结果，其左半部分展示了银河系模型中银盘内气体的面密度分布，右半部分则是可直接与观测对比的银经-视向速度图。图中虚线和数据点代表观测数据，可以看出此模型从内到外都重现了观测中的绝大部分气体结构特征。最佳模型中棒的转动速度在37.5-40.0千米/秒/千秒差距。
　　图 1 论文中的银河系最佳气体动力学模型。左图展示了模型中银河系气体的面密度分布，其中白色圆圈代表太阳位置，白色虚线代表BeSSel观测到的旋臂位置；右图展示了对应的银经-视向速度图。虚线和点代表观测结果。
　　普通而又特别的银河系
　　一个有趣的问题是＂银河系是否是一个典型的棒旋星系？＂这关乎到我们对银河系的研究结论是否具备普适性。在这一点上，研究团队对比了银河系和两个侧向河外棒旋星系NGC4564及NGC5746的结构特征（图2）。图中左侧对比了恒星密度的观测结果，可以看到三个星系都具有盒状/花生状核球；而图中右侧对比了气体（或尘埃）结构，如将研究团队的银河系最佳气体模型以87 倾角置于远处作虚拟观测（图2右下角），可以看到这三者的气体结构也非常类似，特别是都存在一个围绕星系棒的＂内环＂结构。因此从恒星及气体结构特征来看，研究团队认为银河系应该是一个正常的棒旋星系。但在另外一个方面，研究团队的银河系模型展示了5-6条清晰的大尺度旋臂结构，如此多的旋臂对银河系质量大小的星系而言似乎并不常见。因此银河系可能是一个正常的，但非典型的（normal but not typical）棒旋星系。
　　图 2 银河系与两个河外棒旋星系的对比。左侧展示了三个均具有盒状/花生状核球的星系NGC4565，NGC 5746，及银河系的恒星结构；右侧展示了相应星系的气体结构。论文中的银河系最佳气体模型位于右下角。
　　与主流宇宙学模拟的对比
　　研究团队基于气体动力学模型给出了银河系从中心100秒差距处至太阳附近最为准确的自转曲线（其直接示踪质量分布）。该曲线在5000秒差距以内呈现缓慢抬升的形态。研究团队发现这种类型的自转曲线在现有的主流宇宙学模拟中并不常见（图3）。一个自然的问题则是在何种条件下星系会形成一个缓慢抬升的自转曲线。研究团队的这些结果可以帮助现有的宇宙学模拟更好地改进星系形成模型，并使得我们进一步理解银河系的演化历史。
　　图 3银河系自转曲线与主流宇宙学模拟的对比。黑线来自研究团队的结果，彩线代表宇宙学模拟Auriga及Latte中若干类银河系的自转曲线。
　　该论文第一作者为课题组博士后李智，通讯作者为沈俊太教授。本项成果的主要合作成员为德国马普学会地外物理研究所的Ortwin Gerhard团组。研究团队得到了国家自然科学基金委，科技部，上海交通大学等机构的资助；本工作的数值模拟使用了上海交通大学天文系Gravity集群。