银河系结构图。新(xin)华社发（郑兴武和马克·里德供图）
仰望星空，人(ren)类心中涌动(dong)着的是对浩瀚宇宙的无限遐想。这份好奇心驱(qu)动(dong)人(ren)类在科学探索之(zhi)路上前行，一步步由陆及海，自(zi)海上天，进入(ru)了广袤太空，并登上了月(yue)球……
然而，知识的“圆”越大，未知就越多。银河系对人(ren)类来说仍然充满秘密，银河系暗物质晕(yun)的形状就是一个未解之(zhi)谜。
近(jin)日，中国(guo)科学院大学、中国(guo)科学院国(guo)家天文台(tai)、北(bei)京大学和上海交通大学等高(gao)校院所的科研人(ren)员首创“时光动(dong)画”新(xin)方法，测出(chu)银河系暗物质晕(yun)形状为接近(jin)球形的扁椭球。相关研究论文在线发表(biao)于《自(zi)然·天文学》。
这意味着，离揭开谜底的那天又近(jin)了一步。“这一成(cheng)果为研究银河系暗物质晕(yun)的演化提供了重要锚点。”论文共(gong)同第一作者和通讯(xun)作者，中国(guo)科学院大学副教授(shou)黄样(yang)对记者表(biao)示。
银河翘曲特征明显
对银河系的探索，远非始于今日。
在古人(ren)看来，银河系为条(tiao)状。无论是我国(guo)古代的“河汉清且浅，相去复几许”，还是古希腊神话(hua)中的“乳之(zhi)路”，古人(ren)大都将银河系比作一条(tiao)河或路。
“如(ru)今看来，古人(ren)描述的是银道带，并非银河系全(quan)部，而是其组成(cheng)部分(fen)之(zhi)一。”论文共(gong)同第一作者、北(bei)京大学物理学院天文学系博士研究生冯齐康说，在北(bei)半天球，银河勾画出(chu)一条(tiao)宽窄不一的带，就是银道带。
随着天文学深入(ru)发展，人(ren)们逐渐意识到，银河系之(zhi)广袤，远不止于一条(tiao)“河”。现(xian)代天文学通常(chang)认为，作为盘状星系的银河系，自(zi)内向外分(fen)别由银心、银核、银盘、银晕(yun)和银冕组成(cheng)。银盘上可能存在英仙(xian)臂(bi)、猎户臂(bi)、船底—人(ren)马臂(bi)、矩尺臂(bi)和盾牌—半人(ren)马臂(bi)等多条(tiao)主(zhu)旋臂(bi)。
“人(ren)类所在的太阳(yang)系，正位于其中的猎户臂(bi)上的边缘位置，距银河系中心约2.64万光年(nian)。”冯齐康说，“从位置看，是不折不扣(kou)的‘远郊区’。”
太阳(yang)所处的银盘并非一个完美的盘状，而是在大尺度上呈现(xian)出(chu)S形的翘曲形状。
何(he)为翘曲？黄样(yang)介(jie)绍，翘曲一词的原意是指塑(su)件等工业构件在加工过程中发生的不均匀收缩和扭曲。在天文学意义上，翘曲是指盘状星系在垂直于盘平面方向上出(chu)现(xian)的扭曲或变形。“形象地说，盘面不再是简单的平面结构，而是在外部区域逐渐翘起或下落，形成(cheng)S形或U形结构，类似于炸薯片的形状。银河系作为典(dian)型的盘状星系，表(biao)现(xian)出(chu)十分(fen)明显的翘曲特征。”黄样(yang)说，“翘曲是此次研究的主(zhu)要对象之(zhi)一。”
造(zao)父变星成(cheng)为“尺子”
谈到翘曲，绕不开一个问题：它是如(ru)何(he)形成(cheng)的？
“翘曲的形成(cheng)原因，目前还没有定(ding)论。一些科学家认为，它可能起源于三(san)轴暗物质晕(yun)、银河系卫星星系或大尺度内落物质等产生的力矩等原因。”黄样(yang)说。
不管(guan)成(cheng)因如(ru)何(he)，以整个银河系为跨度的翘曲，显然不是短时间就能形成(cheng)的。银河系翘曲的进动(dong)和演化过程，是许多研究人(ren)员关注的话(hua)题。
所谓(wei)进动(dong)，指的是一个自(zi)转的刚(gang)体(ti)在外力作用下，其自(zi)转轴绕某一中心旋转的现(xian)象。“好比将一个自(zi)行车轮插在水平的转轴上，再将转轴横(heng)向放入(ru)垂直的竖直杆。在这种情况下，转动(dong)自(zi)行车轮的同时，水平转轴也会绕竖直杆转动(dong)。”冯齐康介(jie)绍，“这就是进动(dong)的一个简化版本。”
过去，科研人(ren)员往往采用运动(dong)学方法测量翘曲进动(dong)，也就是利用盘面恒星的速度场分(fen)布来限制翘曲的进动(dong)方向和大小(xiao)。黄样(yang)解释(shi)说，这种方法存在一定(ding)误差或偏离，因为不同恒星星族会受到不同程度的扰动(dong)或加热(re)效应影响，无法测量出(chu)翘曲进动(dong)的可靠数(shu)据。
面对这种情况，研究团队决定(ding)，“请”一类特殊恒星——造(zao)父变星出(chu)马解决难题。
造(zao)父变星的特殊之(zhi)处在于，其亮度会发生周期性变化。“因其周期性，我们可以把造(zao)父变星当作测量天体(ti)距离的‘标准烛光’，用以精确测量天体(ti)间的距离。造(zao)父变星的年(nian)龄也与其周期性相关，因此我们还可以测量其准确的年(nian)龄信(xin)息。”黄样(yang)说。
通过比较不同造(zao)父变星的光度、年(nian)龄和亮度变化周期，研究人(ren)员可以建立“光度/年(nian)龄—周期关系”。利用这种关系，就能轻易推(tui)算出(chu)这些天体(ti)的年(nian)龄以及与地球的距离。“可以说，造(zao)父变星正是我们研究用到的‘尺子’和‘时钟’。”黄样(yang)说。
用“电影”看银盘结构
这次研究人(ren)员测量的暗物质晕(yun)，指的是由暗物质组成(cheng)的一种庞大结构。暗物质被比作笼罩在21世(shi)纪物理学天空中的“两朵乌云”之(zhi)一，它被引力定(ding)律(lu)证实存在，却从未被直接观测到。“按照当前理论，暗物质可能是宇宙物质的主(zhu)要组成(cheng)部分(fen)，但又不属于构成(cheng)可见(jian)天体(ti)的任何(he)一种已知物质，是一种‘看不见(jian)’‘摸不着’的奇妙物质。”冯齐康说。
大多数(shu)星系都镶嵌在暗物质晕(yun)中，星系系统的动(dong)力学也主(zhu)要由暗物质的分(fen)布主(zhu)导。研究银河系暗物质晕(yun)的形状，对更好理解银河系具有重要意义。
工欲善其事(shi)，必先利其器。在此次测量银河系暗物质晕(yun)形状的研究中，研究团队用到的“器”，是欧洲航(hang)天局研制并发射(she)的盖亚卫星和我国(guo)的郭守敬望远镜。
有“器”，也要有“术”。“时光动(dong)画”方法，就是研究团队用到的“术”。“简单来说，‘时光动(dong)画’方法，就是利用不同年(nian)龄星族的造(zao)父变星，以播放电影的方式(shi)，让我们看清银盘翘曲是如(ru)何(he)演化和进动(dong)的。”黄样(yang)说。
黄样(yang)介(jie)绍，研究团队将盖亚卫星发现(xian)的2600颗造(zao)父变星作为银河系翘曲的示踪天体(ti)，并结合郭守敬望远镜的数(shu)据，测量这些造(zao)父变星的年(nian)龄及其与地球的距离。“在此基础上，我们运用‘时光动(dong)画’方法，将距今2.5亿年(nian)间不同年(nian)龄切(qie)片的银盘三(san)维结构像(xiang)动(dong)画片一样(yang)重叠起来。”黄样(yang)说。
随后，研究团队像(xiang)播放动(dong)画片一样(yang)，将不同年(nian)龄切(qie)片的银盘三(san)维结构进行对比，研究银盘翘曲如(ru)何(he)随着时间推(tui)进而演化。“经过复杂的研究与计算，我们发现(xian)银河系银盘的翘曲沿着逆太阳(yang)旋转方向以每百万年(nian)0.12度的速率进动(dong)。而且，随着造(zao)父变星样(yang)本离银心距离增加，翘曲的进动(dong)速率逐渐减小(xiao)。”黄样(yang)说，“无论翘曲如(ru)何(he)起源，其进动(dong)速率和方向均由银河系内盘与暗物质晕(yun)共(gong)同决定(ding)。”
进一步的研究表(biao)明，在扣(kou)除银河系内盘的贡献后，当前包裹翘曲的银河系暗物质晕(yun)呈现(xian)出(chu)略微偏离球形的扁椭球形状。“这与我们的预期相符。目前来说，只有这种形状能解释(shi)翘曲的剩余进动(dong)幅度。”黄样(yang)分(fen)析说。
有论文审稿人(ren)评价说，“时光动(dong)画”方法是“一项新(xin)颖且深具说服力的方法”。“下一步，我们会继续(xu)优化这种方法。”黄样(yang)说。