最近，紫金山天文臺(tái)常江博士、上海天文臺(tái)袁珍博士和國家天文臺(tái)趙剛研究員等人合作完成了一系列高精度動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，在計(jì)算機(jī)中重構(gòu)出鯨魚座星流的形成過程，并對(duì)鯨魚座星流在被銀河系吞食前的樣子做了畫像。

就像警察通過犯罪現(xiàn)場留下的痕跡還原犯罪過程一樣，該團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算機(jī)利用大量數(shù)值模擬矮星系被各種“剝洋蔥”和“拉拉面”的過程，還原出了一個(gè)幾億倍太陽質(zhì)量的矮星系如何被銀河系慢慢吞食并留下天文學(xué)家觀測到的鯨魚座星流的過程。

制造星流是“宇宙大廚的一場廚藝秀”

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在銀河系附近有很多恒星組成的河流狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)被稱為“星流”。“星流”的形成過程非常獨(dú)特，用常江的話說，“就像宇宙大廚在為人類秀廚藝一般”。

當(dāng)矮星系(光度最弱的一類星系)被銀河系的引力捕獲后，會(huì)被銀河系吞食。但矮星系并不是被銀河系一口吞下，整個(gè)過程要?dú)v時(shí)幾十億年。其間，矮星系內(nèi)的恒星被銀河系的潮汐力剝離出來，并慢慢融入銀河系。

“你可以將矮星系想象成一個(gè)洋蔥。”常江用常見事物向科技日?qǐng)?bào)記者進(jìn)一步解釋，銀河系用潮汐作用把“洋蔥”一層層地剝開，被剝下來的“洋蔥瓣”由于能量和動(dòng)量的差異會(huì)沿著軌道同時(shí)向兩邊伸長，延展出的星流就像拉面師手中的面團(tuán)，被越抻越長。

為星流“畫像”需攻克兩道難關(guān)

常江告訴科技日?qǐng)?bào)記者，要為鯨魚座星流做畫像，難點(diǎn)有兩個(gè)：一是準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)，二是精準(zhǔn)重構(gòu)。

在以前，由于望遠(yuǎn)鏡觀測技術(shù)的限制，只能看到小質(zhì)量矮星系或者更小質(zhì)量的球狀星團(tuán)形成的細(xì)星流，即“小碗細(xì)面”。而近幾年來，隨著以我國郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)為代表的地面望遠(yuǎn)鏡和以歐空局蓋亞(GAIA)項(xiàng)目為代表的空間望遠(yuǎn)鏡的陸續(xù)投入使用，對(duì)星流的研究開始深入到大質(zhì)量矮星系形成的彌散星流，即“大碗寬面”。

但是，如何從恒星的海洋中將彌散星流認(rèn)證出來，也就是如何“從大鍋中把煮爛的寬面撈出來”，是一件非常困難的事情。

國外對(duì)星流的發(fā)現(xiàn)和重構(gòu)主要集中在細(xì)星流，而國內(nèi)由于擁有郭守敬望遠(yuǎn)鏡的精確數(shù)據(jù)和自主開發(fā)的兩種在動(dòng)力學(xué)相空間中星流認(rèn)證的算法，因此能從恒星的海量觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)彌散星流。

得益于中國天文事業(yè)在“撈面”環(huán)節(jié)處于世界前列，接下來的數(shù)值模擬重構(gòu)過程也會(huì)比國外的其他研究團(tuán)隊(duì)快一步。

“國外在大質(zhì)量彌散星流方向的研究還很粗糙，只是給出了星流形成的模糊可能。”常江介紹，該團(tuán)隊(duì)在一年多的時(shí)間里進(jìn)行了數(shù)百次模擬，可以較可靠地給出鯨魚座星流前身——矮星系的質(zhì)量、形態(tài)以及星流開始形成的時(shí)刻等信息。“這種對(duì)星流形成過程細(xì)節(jié)上的深入研究在國外的同類研究中是沒有的。”常江說。

或可推動(dòng)對(duì)銀河系形成歷史的認(rèn)識(shí)

銀河系是人類所處的“島宇宙”，包含了約1000億顆恒星，范圍超過5萬光年。對(duì)銀河系的形成、演化、整體結(jié)構(gòu)以及銀河系近鄰宇宙學(xué)的研究一直是天文學(xué)的重點(diǎn)和前沿。

相對(duì)于“小碗細(xì)面”的局限性，“大碗寬面”是處于趙剛提出的關(guān)于星流形成三階段理論的第二和第三階段的星流——它們形成時(shí)間更長，空間范圍更大，不僅包含了大范圍銀河系結(jié)構(gòu)的信息，還可以反映銀河系更為久遠(yuǎn)的歷史。

“研究‘大碗寬面’可以讓我們不論在空間上還是在時(shí)間上都會(huì)對(duì)銀河系有更為全面的認(rèn)識(shí)，讓我們更清楚人類所處的這個(gè)‘島宇宙’是如何形成的，又如何通過吞食周圍的氣體和矮星系慢慢成長為現(xiàn)在的模樣。”常江說。

最近，美國等國的研究團(tuán)隊(duì)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了和鯨魚座星流有關(guān)的恒星結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)要么可能是鯨魚座星流的一部分，要么可能受到鯨魚座星流形成過程的擾動(dòng)。這表明，對(duì)鯨魚座星流的發(fā)現(xiàn)和重構(gòu)或可進(jìn)一步推動(dòng)人類對(duì)銀河系形成歷史的認(rèn)識(shí)。(何 亮)