银河系的银盘为什么是翘曲的？盖亚的第二批数据带来了答案

我们银河系的星系盘并不是平展的，而是在边缘的一侧向上翘，在另一侧向下弯。ESA的银河系测绘探测器盖亚给我们带来了一组数据，或许能解释银盘翘曲的原因。图片右下角两个较小的星系分别是大麦哲伦星云（Large Magellanic Cloud）和小麦哲伦星云（Small Magellanic Cloud），它们是银河系的两个卫星星系。
图片来源：斯蒂芬•佩恩•瓦德纳尔（Stefan Payne-Wardenaar），麦哲伦星云来自罗伯特•根德勒（Robert Gendler）/欧洲南方天文台（European Southern Observatory，ESO）

多年以来，天文学家一直想弄明白我们的银河系（Milky Way）为什么是翘曲状的。来自欧洲空间局（European Space Agency，ESA）的巡天观测卫星盖亚（Gaia）的数据表明，这种扭曲可能源于另一个较小星系的碰撞，并且这一碰撞正在进行，碰撞产生的冲击通过银盘（galactic disc）传播到银河系边缘，就像往水中扔进石块会荡起涟漪一样。

银盘中承载了银河系数千亿颗恒星中的大多数，自1950年代后期以来，天文学家就已经知道银河系的星系盘并非是平展的，而是一侧向上弯曲，另一侧向下弯曲。天文学家一直在争论造成这种扭曲的原因，他们提出了各种理论，包括星际磁场或是暗物质晕（dark matter halo）的影响，暗物质晕是一种大量不可见物质的聚集，科学家猜测星系周围萦绕了大量的暗物质。如果暗物质晕的形状是不规则的，它产生的引力就可能会使银盘弯曲。

比预期更快的速度

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来自ESA的巡天观测卫星盖亚的数据显示，银河系扭曲的银盘在摇摆着进动，类似于旋转陀螺的运动。翘曲部分绕银河系中心的移动速度比以前预期的要快，大约每6～7亿年就会完成一次“公转”。不过这个速度仍然比银盘中恒星绕星中心运行的速度要慢，比如说我们的恒星太阳（在视频中显示为一个小黄点）在2.2亿年内就能完成一个旋转周期。扭曲位置进动的速度让天文学家认为，它一定是由某种强大的能量引起的，例如银河系与较小星系正在进行的碰撞。
视频来源：斯蒂芬•佩恩•瓦德纳尔

盖亚对我们银河系中超过十亿颗恒星进行了史无前例的调查，因此，它可能会成为解决银盘翘曲谜团的关键。现在，一组研究团队分析了盖亚传回的第二批数据，并证实了先前的某些猜测，即这种翘曲不是一成不变的，而是会随着时间的推移改变方向。天文学家称这种现象为进动（precession），类似于陀螺在旋转时的自转轴摆动。

而且，翘曲位置的进动速度比预期的要快得多，比星际磁场或暗物质晕影响所应造成的速度还要快。这表明银盘的翘曲一定是由某些其他原因引起的，某些更为强力的原因，例如与另一个星系的碰撞。

“我们将数据与模型进行比较，由此来测量翘曲部分的运行速度。根据计算而得的速度，翘曲部分围绕银心运行一圈的时间大约为6～7亿年。”研究的主要作者、来自意大利都灵天文台（Turin Astrophysical Observatory）的埃洛伊莎•波焦（Eloisa Poggio）说，“这比我们根据其他模型（例如那些非球形暗物质晕的相关模型）预测的要快得多。”该研究发表在《自然•天文学》（Nature Astronomy）杂志上。

盖亚的恒星观测能力

ESA的盖亚任务于2018年4月25日发布了它的第二批数据，其中包括银河系中近17亿颗恒星的高精度测量结果。科学家一直在致力于创建和验证已有的数据，他们告诉了我们这一批数据发布的重要意义。盖亚具有空前测量大量恒星位置和速度的能力，它让我们对银河系演化的理解达到了全新的水平。
视频中出镜的科学家：意大利国家天体物理研究院（Istituto Nazionale di Astrofisica，INAF）帕多瓦天文台（Astronomical Observatory of Padua）的安东内拉•瓦伦纳里（Antonella Vallenari）、莱顿大学（Leiden University）的安东尼•布朗（Anthony Brown）、欧洲空间局的蒂莫•普鲁斯蒂（Timo Prusti）、宇宙科学天文台-地球人文环境气候天文观测弗朗什-孔泰-勃艮第（OSU THETA Franche-Comté-Bourgogne）宇宙-时频-界面-纳米结构-大气和环境-分子研究所（Institut UTINAM）的安妮•罗宾（Annie Robin）、日内瓦大学（University of Geneva）的劳伦特•埃耶（Laurent Eyer）、巴黎天文台（Observatory of Paris）天体力学与星历计算研究所（IMCCE）的费德里卡•斯波托（Federica Spoto）。
视频来源：ESA

但是，翘曲部分的速度又比恒星自身绕银河系中心运行的速度要慢，例如，太阳绕银心运行的周期大约为2.2亿年。

全因盖亚任务具有空前的技术支持，能够对银河系中超过十亿颗恒星的位置进行三维制图，并估计这些恒星与我们的距离，我们才有可能得到银盘翘曲的这些新见解。这个像飞碟一样的卫星望远镜还可以测量单颗恒星在天空中移动的速度，让天文学家能在数百万年的时间里对银河系的历史按下“快进”或“后退”播放键。

论文的共同作者、意大利都灵天文台的天文学家罗纳德•德里梅尔（Ronald Drimmel）说：“这就像你有一辆车，试图在很短的时间内测量这辆车的速度和行驶方向，然后根据这些数值对汽车过去和未来的运动轨迹进行建模；如果对很多辆车进行这类测量，我们就可以对交通车流进行建模。同样，通过测量数百万颗恒星在天空中的表观运动，我们就可以对诸如翘曲部分运动这样的大规模过程进行建模。”

会是人马座吗？

人马座矮星系是银河系的一个小卫星星系，由于银河的引力拖曳，人马座的尾部留下了一条细长的恒星流，位于银河系中心的下方，在全天空恒星密度分布图中指向向下。这张恒星密度分布图的数据源自ESA盖亚任务2014年7月至2016年5月的观测。科学家分析了盖亚第二次发布的数据后发现，我们的银河系仍在承受近距离星系碰撞的影响，这种碰撞让数百万颗恒星像池塘上的涟漪一样起伏运动。银河系与其他星系间的亲密邂逅很可能发生在过去300-900百万年的某个时候，罪魁祸首可能就是人马座矮星系。
图片来源：ESA /盖亚/DPAC

目前为止，天文学家还没清楚究竟是哪个星系让我们的银河系荡起了涟漪，也不知道它是从什么时候开始撞上银河系的。其中一个可能性是人马座（Sagittarius），这是一个绕银河系运行的矮星系（dwarf galaxy），天文学家认为人马座曾在过去多次冲撞银河系的银盘。未来，人马座可能会逐渐被银河系吸收，实际上这一过程正在进行中。

“有了盖亚，我们第一次获得了关于大量恒星的数据，它们的运动得到了极为精确的测量，我们能因此尝试了解银河系的大规模运动，并对它的形成历史进行建模，”ESA的盖亚副项目科学家乔斯•德•布赖恩（Jos de Bruijne）说，“这是独一无二的，这是一场盖亚引发的革命。”

虽然银河系的这种翘曲和进动在宏观上极为显著，但科学家也对我们表示，银盘翘曲对地球上的生命并没有明显影响。

离我们足够遥远

银河系的结构及其翘曲的银盘，银河系数千亿颗恒星中的大多数都分布在银盘上。ESA巡天观测卫星盖亚最近提供的数据表明，银盘的翘曲正在进动，其运动本质类似于摆动的陀螺。天文学家认为，翘曲部分的旋转速度非常之快，这一定是由一个能量相当强大的事件引起的，也许是正在与另一个较小星系碰撞所致。
图片来源：斯蒂芬•佩恩•瓦德纳尔；嵌入的小图来自美国航空航天局（NASA）/加州理工喷气推进实验室（JPL-Caltech）；布局设计来自ESA

埃洛伊莎说：“太阳离银河系中心的距离约为26 000光年，而银河系中心位置的翘曲幅度很小，我们的测量主要是针对银盘的外部，距银河系中心超过52 000光年。”

在此之前，盖亚发现了在近期以及遥远的过去，银河系曾与其他星系之间发生过碰撞，在碰撞事件发生数十亿年之后，仍然可以在大型恒星群体的运动模式中观察到这种现象留下的痕迹。

与此同时，盖亚正处于执行任务的第六年，它一直在对天空进行扫描，整个欧洲的天文机构都忙于处理和分析不断传回地球的数据。世界各地的天文学家都期待着盖亚接下来的两批新数据，分别计划于2020年下半年和2021年下半年发布，希望能解决我们银河系的更多谜团。

参考来源：

[1] http://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Milky_Way_s_warp_caused_by_galactic_collision_Gaia_suggests

[2] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1017-3