外晕中的恒星运动揭示银河系演化的新线索

2013.2.21：借助美国宇航局（NASA）的哈勃太空望远镜，天文学家深入广袤的银晕，发现了诱人的证据表明，可能存在一片恒星壳层，它们是被银河系吞噬的（矮星系）遗迹。

示意图：哈勃观测M31发现银晕恒星的运动，大图下载：12.5MB，版权：NASA，ESA；STScI，原作者，下同。

哈勃用于精确地测量，首次确定远离银河系核心的一小片恒星样本区域的运动速度。它们与众不同的切向速度，间接证明了它们是数十亿年前被银河系的引力撕裂的星系残骸。这些恒星说明：银河系的成长，部分是通过吞并小星系实现的。

马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科研所的Roeland van der Marel介绍说：“借助哈勃的独特能力，天文学家能够揭示星系遥远过去的线索。越是星系的远郊，演化得越慢。银河系外围迄今还保存着很久前事件的信息。”

他们还提供了一种测量我们星系的“隐藏”质量——暗物质的新方法。暗物质是一类既不发射也不吸收辐射的特殊物质，因此是“暗（Dark）”的。在千亿个星系中，银河系离我们最近，因此也是详细研究星系历史、结构体系的最佳场所。

由加州大学圣克鲁兹分校的Alis Deason和Roeland van der Marel领衔的天文学家团队，在离银心约8万光年的外晕中，鉴别出13颗恒星，它们都非常古老，可追溯到我们星系诞生的年代。

团队惊讶于这些恒星的运动几乎都偏向一个方向，与预期的方向几乎相切（或垂直）。它们的运动与离太阳较近的晕族恒星运动有很大差别——它们的运动主要在视线方向（径向），即先朝向银河系核心运动，然后又返回远方。这些恒星的切向运动可以用8万光年处存在高密度恒星来解释：就像高速公路上有车逆行导致拥堵一样，这些恒星将形成类似壳状结构，这在我们周围的星系团中可以找到案例。

Deason和她的团队从哈勃对邻近星系——仙女座大星系（M31）7年来的观测数据库中，揪出了这些银晕中的古老恒星。在观测数据中，哈勃透过银河系外晕观测20倍远的M31，相对于研究对象M31而言，这些恒星相对于一个前景星团。但对Deason团队而言，它们却是真金白银：该项观测提供了研究银河系外晕恒星运动的唯一机会。

PDF中的插图，显示在赫罗图中，M31背景前方的银晕恒星，它们在同等颜色下，显得更亮（距离近嘛！）。三个图分别对应M31的核球、星系盘和外围星流。

要找出这些恒星是项细活：每幅哈勃图像都包含10万颗以上的恒星，MarelDeason解释说：“我们必须找出在无数群星中搜寻少量银晕恒星的方法，它就像在干草堆中找针。”

天文学家通过颜色、亮度和切向速率鉴别出银晕中的恒星。因为离我们近得多，这些恒星比M31中的背景恒星快得多。团队成员、太空望远镜科研所（STScI）的Sangmo Tony Sohn通过测量它们的很小的切向速率及方向辨认银晕恒星，并统计了数量。这些恒星在天球的运动速率约为0.001角秒/年，相当于月球距离的一个高尔夫球，一个月只移动了一英尺（约0.3米）。尽管如此，基于哈勃的超级分辨率和极高的仪器一致性，本研究的测量精度仍旧达到5%。（译注：哈勃的定位精度为0.007角秒，而本文中用于研究的ACS、WFC3图像分辨率为0.04角秒）
Marel解说道：“本项观测能够完成，是哈勃超级精度、多年观测数据累积和望远镜长期稳定性的结合。因为哈勃位于太空，它不受引力、空气、风、地震等各种干扰因素的影响！”

位于内银晕的恒星具有高偏心率的轨道。但当团队比较本例中外晕恒星的切向速度和径向速度，他们惊讶地发现两者是相当的。星系演化的计算机模拟通常显示，恒星越向外晕运动，径向速度所在比例越高；而本案的观测却显示了相反的结果。对此发现的貌似合理的解释是：银河系晕中存在恒星壳层。这种壳层可以通过吞并伴星系而形成。这与理论设想的演化图景相符：银河系通过吞并伴星系而持续成长。

河外星系带有壳层的案例，本图所示为一个椭圆星系，位于室女座星系团中。

哈勃研究项目中的有13颗恒星，几乎位于同样的距离，因此组成了高密度的星团。团队还比较了斯隆数字巡天项目（SDSS）的数据，发现在三角座和仙女座方向，也存在着类似的晕族恒星。随着距离的增加，恒星数量直线下降。

Deason立刻想到，这两个研究结果不仅是一致的这么简单。她解说道：“这些恒星运动速度如此之慢，一种碰巧的可能是它们处于远心点——离银河系核心最远的位置。在它们进出银河系内部的轨道上，它们因减速而堆积在一起。因此，径向速率因减小而与切向速率相当。”

某些星系的晕中包含恒星壳层，而天文学家预期银河系也可能有。但迄今为止，证据很少：因为银晕中的恒星散布在整个天空，又很暗，故此难以确认。

受本项成功研究的鼓励，团队希望在哈勃数据库中搜寻更多的遥远晕族恒星。Deason说：“这项意外发现点燃了我们搜寻更多类似恒星的兴趣，以确认此事属实。我们当前还只有很小的样本数，随着我们获得更多的数据，研究成果将变得更加强壮、可信。” 在整个天空中，仙女座大星系仅覆盖了“针眼”这么大的区域。

团队目标是拼合出银河系历史的清晰图像。当知道更多晕族恒星的轨道和运动速率后，我们还能更精确地分析银河系的质量。Deason总结道：“迄今为止，我们缺少的正是关键的数据：恒星的切向速度。它能帮助我们更准确地测量银河系的质量分布——主要由暗物质控制。通过星系的质量分布，我们能够了解它是否与构造结构的理论预期相符上。”

团队研究报告将刊登在即将出版的《天体物理学》期刊上。科学家团队成员包括：加州大学圣克鲁兹分校兼莱克天文台的A. Deason和P. Guhathakurta；马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科研所的R.P. van der Marel、S.T. Sohn 和 T.M. Brown。

这是一个对比例证，基于我们对M31近60年的拍摄数据（图中小星系是M110）。从中可以明显看到银河系前景恒星的运动，但它们并不一定是外晕中的恒星（尤其是那几颗明显移动的亮星）。