長久以來,天文學家一直為銀河系的邊界爭論不休——它的邊緣從不是一道清晰的城墻,而是逐漸消散在星際空間里,并且,星際塵埃的遮擋以及混雜的恒星族群,更是讓這場邊界勘測難上加難。
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直到最近,一個國際天文團隊換了一個新的思路:他們不探測恒星的數量,不看星光的亮度,而是通過探測恒星的年齡與星系演化模擬相結合,最終精準鎖定了銀河系恒星形成盤的真正邊界。
相關研究于26年4月發表在《天文學與天體物理學》雜志上
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探測恒星的年齡,研究團隊選擇了一種叫做紅巨星的恒星。
這類恒星走到了生命的中后期,核心氫燃燒殆盡后進入殼層燃燒階段,亮度極高,且其碳氮元素豐度與自身質量、年齡強相關,年齡測算的精度遠高于其他類型恒星。
這次研究團隊從LAMOST和APOGEE兩大地面光譜巡天項目中,篩選出了十萬余顆符合要求的紅巨星,再結合蓋亞衛星傳回的、達到微角秒級精度的恒星位置、距離與運動數據,給這場勘測上了雙保險。
更關鍵的是,團隊只挑選了那些緊貼銀河系銀道面(垂直銀道面距離小于980光年)、軌道近乎完美圓形的恒星,這就像做城市人口普查時,只統計長期定居的本地居民,徹底排除了從銀河系暈區闖進來的外來流動恒星,這樣的篩選確保了測到的年齡趨勢,完完全全來自銀河系盤本身的演化規律。
而當把十萬余顆恒星的年齡,按它們到銀河系中心的距離一一排列后,一個意想不到的圖案出現在了團隊眼前:一條完美的U型曲線。
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按照銀河系由內而外生長的經典理論,恒星形成從致密的銀心開始,再一點點向外擴散,就像往水面滴一滴墨水那樣,暈開的范圍越往外,形成的時間越晚。
一開始的數據也完全符合這個預期:從銀心向外,恒星的平均年齡穩步下降,越往外的區域恒星越年輕。
可當距離來到銀心外約3.7萬到4.0萬光年的位置時,趨勢發生了徹底反轉,再往外圍走,恒星的平均年齡不降反升,越遠的地方恒星越古老。
而這個U型曲線的谷底,也就是恒星平均年齡最年輕的那個點,這正是銀河系恒星形成盤的真正邊緣。
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那為什么會出現這樣神奇的U型圖案呢?
團隊用超級計算機的星系演化模擬,找到了背后的答案。
這個U型的谷底,正好對應著銀河系恒星形成的截止線:在這條線以內,有充足的冷氣體和塵埃,它能持續不斷地孕育新的恒星,所以越靠近邊界的地方,新生恒星越多,平均年齡就越年輕,這就像造星的主城區;可一旦越過這條線,氣體密度急劇下降,再也滿足不了恒星穩定形成的條件,靠近銀心的造星工廠在這里出現了斷崖式的產能下滑。
那外圍的恒星又是從哪來的?
答案藏在銀河系持續了百億年的恒星遷移運動里。
銀河系的旋臂、中心棒狀結構會通過引力共振給恒星持續施加影響,讓它們在保持近圓軌道的前提下,一點點偏離自己的誕生地,緩慢向外圍遷移,這個過程被天文學家稱為徑向遷移。
這個過程極其緩慢,一顆恒星要漂到越遠的地方,花的時間就越長,自然也就越古老。
模擬結果也完美印證了這一點:無論星系有沒有經歷過小型星系合并,只要恒星形成在某個半徑處急劇下降,再加上恒星的向外徑向遷移,這就一定會出現這樣的U型年齡曲線。
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這次的發現,不僅給銀河系的恒星形成盤劃下了精準的邊界,也刷新了我們對銀河系演化的認知。
我們所在的太陽系,距離銀心約2.6萬光年,正好處在這片造星主城區的范圍內,而我們找到的恒星形成盤邊界,就在太陽系外約1萬光年的位置。
不過,還有一個核心問題沒有答案:為什么銀河系的造星活動,偏偏會在這個位置驟降?
天文學家推測了幾種可能:或許是銀河系中心棒狀結構的引力共振,給氣體的分布劃下了無形的界限;也或許是銀河系外圍的盤體發生了翹曲,就像一張被掰彎的光盤,破壞了恒星形成的穩定環境;也可能是外圍的氣體密度太低,無法冷卻凝聚成孕育恒星的致密分子云。
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