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仰望星空，人類心中涌動著的是對浩瀚宇宙的無限遐想。這份好奇心驅動人類在科學探索之路上前行，一步步由陸及海，自海上天，進入了廣袤太空，并登上了月球……
然而，知識的“圓”越大，未知就越多。銀河系對人類來說仍然充滿秘密，銀河系暗物質暈的形狀就是一個未解之謎。
近日，中國科學院大學、中國科學院國家天文臺、北京大學和上海交通大學等高校院所的科研人員首創“時光動畫”新方法，測出銀河系暗物質暈形狀為接近球形的扁橢球。相關研究論文在線發表于《自然·天文學》。
這意味著，離揭開謎底的那天又近了一步。“這一成果為研究銀河系暗物質暈的演化提供了重要錨點。”論文共同第一作者和通訊作者，中國科學院大學副教授黃樣對記者表示。
銀河系結構圖。 新華社發（鄭興武和馬克·里德供圖）
銀河翹曲特征明顯
對銀河系的探索，遠非始于今日。
在古人看來，銀河系為條狀。無論是我國古代的“河漢清且淺，相去復幾許”，還是古希臘神話中的“乳之路”，古人大都將銀河系比作一條河或路。
“如今看來，古人描述的是銀道帶，并非銀河系全部，而是其組成部分之一。”論文共同第一作者、北京大學物理學院天文學系博士研究生馮齊康說，在北半天球，銀河勾畫出一條寬窄不一的帶，就是銀道帶。
隨著天文學深入發展，人們逐漸意識到，銀河系之廣袤，遠不止于一條“河”。現代天文學通常認為，作為盤狀星系的銀河系，自內向外分別由銀心、銀核、銀盤、銀暈和銀冕組成。銀盤上可能存在英仙臂、獵戶臂、船底—人馬臂、矩尺臂和盾牌—半人馬臂等多條主旋臂。
“人類所在的太陽系，正位于其中的獵戶臂上的邊緣位置，距銀河系中心約2.64萬光年。”馮齊康說，“從位置看，是不折不扣的‘遠郊區’。”
太陽所處的銀盤并非一個完美的盤狀，而是在大尺度上呈現出S形的翹曲形狀。
何為翹曲？黃樣介紹，翹曲一詞的原意是指塑件等工業構件在加工過程中發生的不均勻收縮和扭曲。在天文學意義上，翹曲是指盤狀星系在垂直于盤平面方向上出現的扭曲或變形。“形象地說，盤面不再是簡單的平面結構，而是在外部區域逐漸翹起或下落，形成S形或U形結構，類似于炸薯片的形狀。銀河系作為典型的盤狀星系，表現出十分明顯的翹曲特征。”黃樣說，“翹曲是此次研究的主要對象之一。”
造父變星成為“尺子”
談到翹曲，繞不開一個問題：它是如何形成的？
“翹曲的形成原因，目前還沒有定論。一些科學家認為，它可能起源于三軸暗物質暈、銀河系衛星星系或大尺度內落物質等產生的力矩等原因。”黃樣說。
不管成因如何，以整個銀河系為跨度的翹曲，顯然不是短時間就能形成的。銀河系翹曲的進動和演化過程，是許多研究人員關注的話題。
所謂進動，指的是一個自轉的剛體在外力作用下，其自轉軸繞某一中心旋轉的現象。“好比將一個自行車輪插在水平的轉軸上，再將轉軸橫向放入垂直的豎直桿。在這種情況下，轉動自行車輪的同時，水平轉軸也會繞豎直桿轉動。”馮齊康介紹，“這就是進動的一個簡化版本。”
過去，科研人員往往采用運動學方法測量翹曲進動，也就是利用盤面恒星的速度場分布來限制翹曲的進動方向和大小。黃樣解釋說，這種方法存在一定誤差或偏離，因為不同恒星星族會受到不同程度的擾動或加熱效應影響，無法測量出翹曲進動的可靠數據。
面對這種情況，研究團隊決定，“請”一類特殊恒星——造父變星出馬解決難題。
造父變星的特殊之處在于，其亮度會發生周期性變化。“因其周期性，我們可以把造父變星當作測量天體距離的‘標準燭光’，用以精確測量天體間的距離。造父變星的年齡也與其周期性相關，因此我們還可以測量其準確的年齡信息。”黃樣說。
通過比較不同造父變星的光度、年齡和亮度變化周期，研究人員可以建立“光度/年齡—周期關系”。利用這種關系，就能輕易推算出這些天體的年齡以及與地球的距離。“可以說，造父變星正是我們研究用到的‘尺子’和‘時鐘’。”黃樣說。
用“電影”看銀盤結構
這次研究人員測量的暗物質暈，指的是由暗物質組成的一種龐大結構。暗物質被比作籠罩在21世紀物理學天空中的“兩朵烏云”之一，它被引力定律證實存在，卻從未被直接觀測到。“按照當前理論，暗物質可能是宇宙物質的主要組成部分，但又不屬于構成可見天體的任何一種已知物質，是一種‘看不見’‘摸不著’的奇妙物質。”馮齊康說。
大多數星系都鑲嵌在暗物質暈中，星系系統的動力學也主要由暗物質的分布主導。研究銀河系暗物質暈的形狀，對更好理解銀河系具有重要意義。
工欲善其事，必先利其器。在此次測量銀河系暗物質暈形狀的研究中，研究團隊用到的“器”，是歐洲航天局研制并發射的蓋亞衛星和我國的郭守敬望遠鏡。
有“器”，也要有“術”。“時光動畫”方法，就是研究團隊用到的“術”。“簡單來說，‘時光動畫’方法，就是利用不同年齡星族的造父變星，以播放電影的方式，讓我們看清銀盤翹曲是如何演化和進動的。”黃樣說。
黃樣介紹，研究團隊將蓋亞衛星發現的2600顆造父變星作為銀河系翹曲的示蹤天體，并結合郭守敬望遠鏡的數據，測量這些造父變星的年齡及其與地球的距離。“在此基礎上，我們運用‘時光動畫’方法，將距今2.5億年間不同年齡切片的銀盤三維結構像動畫片一樣重疊起來。”黃樣說。
隨后，研究團隊像播放動畫片一樣，將不同年齡切片的銀盤三維結構進行對比，研究銀盤翹曲如何隨著時間推進而演化。“經過復雜的研究與計算，我們發現銀河系銀盤的翹曲沿著逆太陽旋轉方向以每百萬年0.12度的速率進動。而且，隨著造父變星樣本離銀心距離增加，翹曲的進動速率逐漸減小。”黃樣說，“無論翹曲如何起源，其進動速率和方向均由銀河系內盤與暗物質暈共同決定。”
進一步的研究表明，在扣除銀河系內盤的貢獻后，當前包裹翹曲的銀河系暗物質暈呈現出略微偏離球形的扁橢球形狀。“這與我們的預期相符。目前來說，只有這種形狀能解釋翹曲的剩余進動幅度。”黃樣分析說。
有論文審稿人評價說，“時光動畫”方法是“一項新穎且深具說服力的方法”。“下一步，我們會繼續優化這種方法。”黃樣說。（記者 李詔宇）
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