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银河系麦哲伦(LMC)的图像叠加在周围星系晕的地图上。较小的结构是LMC通过这一区域时产生的尾迹。较大的浅蓝色特征对应于我们银河系北半球观测到的高密度恒星
影像来源:美国宇航局/欧洲航天局/喷气实验室-加州理工学院/康罗伊等

新星图的亮点是由一个即将与银河系相撞的小星系引起的恒星尾流。该地图还可以为暗物质理论提供新的检验。

天文学家利用NASA和欧空局(European Space Agency)望远镜的数据,发布了一张我们银河系最外层区域的新的全天空地图。这个区域被称为银晕,位于形成银河系可辨认的中央盘的旋流旋臂之外,恒星稀少。尽管银晕可能看起来大部分是空的,但也有人预测它含有大量的暗物质,一种神秘而不可见的物质,被认为构成了宇宙中所有质量的主体。

新地图的数据来自欧洲航天局的盖亚任务和美国宇航局的近地天体广域红外巡天探测器(NEOWISE),该探测器于2009年至2013年运行,代号为WISE。该研究利用了该航天器在2009年至2018年间收集的数据。


这幅可视化图显示了我们银河系的中央圆盘和一个更小的附近星系——大麦哲伦云。一份新的全天空地图绘制出了银河系外围区域(被称为银晕)恒星的位置,该区域距离银河系中心约20万光年至32.5万光年。
视频来源:NASA/JPL-Caltech/NSF/R. Hurt/N. Garavito-Camargo & G. Besla

新地图揭示了一个叫做大麦哲伦星系(LMC)的小星系是如何被命名——如此命名是因为它是绕银河系的两个矮星系中较大的一个——像一艘穿过的船一样驶过银晕,它的引力在它后面的恒星中产生了尾流。LMC距离地球约16万光年,质量不到银河系的四分之一。

尽管银晕的内部部分已经被高度精确地绘制出来,但这是第一张提供银晕外部区域类似图片的地图,在那里可以找到尾流——距离银河系中心大约20万光年到32.5万光年。之前的研究已经暗示了尾流的存在,但是全天空地图证实了它的存在,并提供了它的形状、大小和位置的详细视图。

银晕中的这种扰动也为天文学家提供了一个机会来研究他们无法直接观测到的东西:暗物质。虽然暗物质不发射反射吸收光线,但它的引力影响已经在整个宇宙中被观测到。它被认为是建立星系的脚手架,如果没有它,星系就会在自转时分崩离析。据估计,暗物质在宇宙中比所有发光和/或与光相互作用的物质(从恒星到行星到气体云)多五倍。

尽管关于暗物质的性质有多种理论,但所有这些理论都表明,它应该存在于银晕中。如果是这样的话,那么当LMC驶过这个区域时,它应该也会在暗物质中留下尾流。在新星图中观察到的尾流被认为是这个暗物质尾流的轮廓;恒星就像这个看不见的海洋表面上的叶子,它们的位置随着暗物质的变化而变化。

暗物质和LMC之间的相互作用对我们的星系有很大的影响。当LMC绕着银河系运行时,暗物质的引力会拖住LMC,使其减速。这将导致这个矮星系的轨道变得越来越小,直到该星系在大约20亿年后最终与银河系相撞。这种类型的合并可能是宇宙中巨大星系增长的一个关键驱动因素。事实上,天文学家认为银河系在大约100亿年前已与另一个小星系合并。

“这种对较小星系能量的掠夺不仅是LMC与银河系合并的原因,也是所有星系合并发生的原因,”哈佛大学天文学博士生、这篇新论文的共同作者罗汉·奈度(Rohan Naidu)说。“我们地图上的尾迹非常清晰地证实了我们关于星系如何合并的基本图像是正确的!”

一个罕见的机会

论文的作者还认为,新的地图——连同其他数据和理论分析——可能为暗物质性质的不同理论提供测试,例如它是否像普通物质一样由粒子组成,以及这些粒子的性质是什么。

“你可以想象,如果船在水中航行或在蜂蜜中航行,船后的尾流会有所不同。”这项研究的共同作者哈佛大学教授、哈佛与史密森尼天体物理中心的天文学家查理·康罗伊(Charlie Conroy)说。“在这种情况下,尾流的特性取决于我们应用的暗物质理论。”

康罗伊领导的团队绘制了银晕中1,300多颗恒星的位置。在尝试测量从地球到这些恒星很大一部分的精确距离时出现了挑战:通常不可能确定一颗恒星是近距离的暗淡恒星还是远距离的明亮恒星。该团队使用了来自ESA盖亚任务的数据,该任务提供了天空中许多恒星的位置,但无法测量与银河系外围区域的恒星的距离。

在确定了最有可能位于银晕中的恒星(因为它们显然不在我们的银河系或LMC内)之后,研究小组寻找属于一类具有NEOWISE可探测到的特定光 “特征 “的巨型恒星。知道了所选恒星的基本属性,研究小组就可以计算出它们与地球的距离,并绘制出新的地图。它描绘了一个距离银河系中心约20万光年的区域,也就是LMC尾迹预计开始的地方,并向外延伸约12.5万光年。

康罗伊和他的同事在了解到位于图森的亚利桑那大学的一个天体物理学家团队制作计算机模型来预测银晕中的暗物质应该是什么样子之后,受到了启发,开始寻找LMC的尾迹。这两个小组共同进行了这项新的研究。

新研究中包含的亚利桑那团队的一个模型,预测了新地图上显示的恒星尾迹的一般结构和具体位置。一旦数据证实了模型是正确的,该团队就可以证实其他调查也暗示过的事情也暗示的内容:LMC很可能是在其围绕银河系的第一个轨道上。如果这个较小的星系已经有了多个轨道,那么尾迹的形状和位置就会与观测到的明显不同。天文学家认为LMC与银河系和另一个附近的星系M31形成于相同的环境,并且它即将完成环绕我们星系的第一个长轨道(大约130亿年)。由于它与银河系的相互作用,它的下一个轨道将大大缩短。

亚利桑那大学天文学博士生尼古拉斯·加拉维托·卡玛戈(Nicolas Garavito-Camargo) 说:“用观测数据证实我们的理论预测告诉我们,我们对这两个星系之间互动的理解,包括暗物质,是正确的。”尼古拉斯·卡玛戈领导了论文中使用的模型的工作。

新的地图也为天文学家提供了一个难得的机会来验证我们银河系中的暗物质(名义上的水或蜂蜜)的特性。在新的研究中,尼古拉斯·卡玛戈和他的同事们使用了一种流行的暗物质理论——冷暗物质理论,该理论与观察到的星图相对吻合。现在,亚利桑那大学的研究小组正在使用不同的暗物质理论进行模拟,以观察哪一个与观测到的恒星尾迹最匹配。

“这是一组非常特殊的情况,它们共同创造了这个场景,让我们可以测试暗物质理论。”这项研究的共同作者、亚利桑那大学副教授格蒂娜·贝斯拉(Gurtina Besla)说。“但是我们只能通过这个新地图和我们建立的暗物质模拟的结合来实现这个测试。”

WISE航天器于2009年发射,在完成其主要任务后于2011年进入休眠状态。2013年9月,NASA重新启动了航天器,主要目标是扫描近地天体(NEO),该任务和航天器被更名为NEOWISE。NASA位于南加州的喷气推进实验室为NASA科学任务部管理和运营WISE。该任务是由NASA的探索者计划竞争性地选定,该计划由该机构位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理。 NEOWISE是JPL(加州理工学院的一个部门)和亚利桑那大学的项目,由NASA的行星防御协调办公室支持。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/astronomers-release-new-all-sky-map-of-milky-way-s-outer-reaches

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