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(原載于《天文愛好者》2012年12月刊)

當(dāng)你讀到這篇文章的時(shí)候,美國印第安納大學(xué)天文系的艾琳弗里爾(Eileen Friel)教授正在給她的學(xué)生上課。課程的名字叫做《星系天文學(xué)》,研究生必修。1984年的艾琳弗里爾在加州大學(xué)圣克魯茲分校(University of California at Santa Cruz, UCSC)讀研究生,那時(shí)的弗里爾教授還只是弗里爾同學(xué),聽她的老師講授《星系天文學(xué)》。但是,今天的弗里爾教授所教的《星系天文學(xué)》與80年代弗里爾同學(xué)所學(xué)的相比,已經(jīng)有了大大的不同。在這30年間,發(fā)生了變化的不是我們的銀河系,而是我們對銀河系的認(rèn)識。正是弗里爾同學(xué)本人,創(chuàng)造了這段歷史。
1984年4、5月間的幾個(gè)晚上,弗里爾同學(xué)用里克天文臺3米望遠(yuǎn)鏡和1米望遠(yuǎn)鏡觀測了巨蛇座的200顆恒星的光譜。利用這些光譜,弗里爾同學(xué)分析了恒星的金屬豐度和運(yùn)動速度。她發(fā)現(xiàn),絕大部分恒星具有類似太陽的金屬豐度和速度,極少數(shù)恒星的金屬豐度極低;但還有一部分恒星,金屬豐度介于前兩者之間,這些星的距離也介于前兩者之間,這是一個(gè)嶄新的結(jié)果。
1980年,天文學(xué)家約翰巴克(John Bahcall)(圖4)等人就給出了一個(gè)雙成分的銀河系模型。他們把銀河系分為盤和暈兩部分(后來在銀河系中心又增加了一個(gè)核球成分)。盤是一個(gè)扁平的,恒星密集的,相對年輕的,富含金屬元素的系統(tǒng);暈是一個(gè)彌散的,稀疏的,相對年老的,貧金屬的系統(tǒng)。用這樣的雙成分模型,巴克等人解釋了粗略的銀河系的結(jié) 構(gòu),并且基本符合他們觀測到的測光結(jié)果。這已經(jīng)成為天文學(xué)普遍接受的事實(shí)。直到吉拉德加爾默(Gerard Gilmore)對這一經(jīng)典理論提出挑戰(zhàn)。加爾默和瑞德(Reid)在 1983年共同完成了南銀極方向18平方度的天空的觀測,他們獲得了這個(gè)方向上的12500顆恒星的亮度。沿用我們在《銀河系那些事兒(1)》(2012年10月刊)中提到的赫歇爾使用的數(shù)星星的方法,他們發(fā)現(xiàn),恒星的數(shù)目隨著遠(yuǎn)離銀道面越來越少,在1kpc的距離以內(nèi),完全可以用巴克的模型來表示,但在1kpc以外,需要用另外一個(gè)規(guī)律來描述恒星的數(shù)目。加爾墨和瑞德將這個(gè)額外的恒星數(shù)目稱為厚盤,作為銀河系的第三個(gè)成分。相對地,原來普遍接受的銀盤被稱為薄盤。
但是,巴克等人并不善罷甘休,他們和加爾默之間你來我往進(jìn)行了長久的論辯。加爾默雖然發(fā)現(xiàn)了新的蛛絲馬跡,但他們最后都承認(rèn),僅僅憑借恒星計(jì)數(shù)的方法,證據(jù)還并不充分。而索內(nèi)拉等人堅(jiān)持的“只有薄盤”的觀點(diǎn),也屢屢遭到其他研究者的挑戰(zhàn)。最終真正提供了充分觀測證據(jù)的,就是前文提到的弗里爾同學(xué)對巨蛇座的觀測。金屬豐度、運(yùn)動學(xué)、距離,幾種參數(shù)共同分析表明,的的確確,除了薄盤之外,銀河系還需要另一個(gè)成分來描述一部分不可忽略的恒星。

艾琳弗里爾同學(xué)畢業(yè)后做了幾期博士后,再后來她后來成為了羅威爾天文臺(Lowell Observatory)(腳注1)自1894年創(chuàng)建以來的首位女臺長。今天坐在印第安納大學(xué)的教室里聆聽弗里爾教授天文課的同學(xué)是幸福的,他們所面對的這位老師,正是創(chuàng)造、親歷并驗(yàn)證這段歷史的當(dāng)事人,這位30年前在學(xué)生時(shí)代和他們一樣聆聽這節(jié)課的同學(xué),正是親自操作望遠(yuǎn)鏡給出厚盤觀測證據(jù)的先驅(qū)。當(dāng)我們今天仰望夜空銀河的時(shí)候,也該是幸福的。因?yàn)槲覀?可以知道薄盤、厚盤這樣的理念經(jīng)過了眾多先驅(qū)之手,還因?yàn)槲覀冎酪苍S過不了多久,這一切會再次遭遇挑戰(zhàn)(腳注2),教科書再次被更新?lián)Q代,有一批新的學(xué)生再次坐在天文的課堂里聆聽歷史的新篇。
天文學(xué)家今天還不能完全解釋清楚厚盤的實(shí)質(zhì)。目前有4種關(guān)于厚盤如何起源的理論暫時(shí)難分高下,皆有天文學(xué)上的一席之地。第一種理論認(rèn)為厚盤的恒星完全是靠近銀河系中心的恒星向外遷移的結(jié)果。第二種理論認(rèn)為原有的薄盤受到銀河系周圍其他星系的引力的影響而讓其中一部分恒星獲得了更高的速度,最終脫離薄盤,成為厚盤恒星。第三種理論認(rèn)為大部分厚盤的成員恒星來源于銀河系對外部其他小星系的捕獲,這些小星系落入銀河系的范圍內(nèi)成為今天的厚盤。第四種理論認(rèn)為厚盤是銀河系中的氣體相互并和的結(jié)果?？傊?這一問題仍然是天文學(xué)的前沿課題,每年都有不少探討這一問題的學(xué)術(shù)論文被發(fā)表。但如果要徹底地得到一個(gè)讓科學(xué)界普遍信服的答案,可能還需要更為完善的觀測數(shù)據(jù)作為證據(jù)。因此,銀河系不同方向上較為完整的的大樣本的恒星光譜觀測,對天文學(xué)的發(fā)展極為重要。這也是為什么中國要不遺余力地建設(shè)郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)(腳注3),歐洲和美國也在同時(shí)大力發(fā)展大型的、高精度的恒星光譜巡天望遠(yuǎn)鏡。
利用美國斯隆數(shù)字巡天(SDSS)(腳注4)獲得的大量可靠的數(shù)據(jù)表明,銀河系的薄盤和厚盤上的恒星都是越遠(yuǎn)離銀河系中心數(shù)目就越低,越遠(yuǎn)離銀道面恒星數(shù)目就越低,恒星數(shù)目呈指數(shù)衰減。這就是經(jīng)典理論中說的“雙指數(shù)分布”。薄盤和厚盤指數(shù)衰減的標(biāo)高(腳注 5)分別是300 pc和900pc。在太陽附近的恒星中,有11%的成員屬于厚盤,0.4%的恒星屬于暈,其他都是薄盤恒星。這些結(jié)果會隨著獲取更多的數(shù)據(jù)而被更新。關(guān)于厚盤的產(chǎn)生原因也會隨著更多的數(shù)據(jù)而露出更加清晰的圖景。我們相信,我們對于銀河系的認(rèn)識,就是這樣一步一步地積累起來,用更加完備的觀測數(shù)據(jù)佐證我們異想天開的理論,用我們豐富的想象力和理性指引未來的觀測,永遠(yuǎn)也不拘泥于現(xiàn)狀的安穩(wěn),隨時(shí)準(zhǔn)備讓自己學(xué)過的東西有更新的解釋。
銀河系暈和銀河系周邊小星系的話題,讓我們留待下一次講述。這個(gè)話題曾經(jīng)是天文學(xué)發(fā)展史上另一個(gè)讓人激動的情節(jié),也是認(rèn)識銀河系的又一次飛躍。

腳注1:羅威爾天文臺是一所私人捐資成立的研究機(jī)構(gòu),創(chuàng)建人羅威爾是一位商人和天文愛好者。羅威爾天文臺發(fā)現(xiàn)了冥王星、天王星的光環(huán)、多顆小行星。
腳注2:來自美國的天文學(xué)家喬鮑威(Jo Bovy)等人今年提出了新的觀點(diǎn),并在《天體物理學(xué)報(bào)》上發(fā)表了一篇論文,題目是《銀河系沒有厚盤》。關(guān)于銀河系厚盤的深入研究還在繼續(xù),也許這場爭論還遠(yuǎn)未結(jié)束。
腳注3:郭守敬望遠(yuǎn)鏡,又名“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡”,或LAMOST。LAMOST 有效口徑4米,利用光纖技術(shù)可以同時(shí)觀測4000個(gè)目標(biāo)的光譜,成為世界上光譜獲取效率最高的望遠(yuǎn)鏡。LAMOST位于國家天文臺河北興隆觀測站,已于今年10月開始了正式的科學(xué) 巡天觀測,計(jì)劃運(yùn)行5年時(shí)間,獲取1千萬恒星光譜,為研究銀河系的結(jié)構(gòu)和子成分的演化、起源、化學(xué)、運(yùn)動學(xué)等課題提供豐富的數(shù)據(jù)。
腳注4:斯隆數(shù)字巡天,又名SDSS,采用一臺位于阿帕奇天文臺(Apache Point Observatory)的2.5米望遠(yuǎn)鏡做測光和光譜的觀測。目前SDSS已經(jīng)釋放了9次科學(xué)數(shù)據(jù)。由于SDSS觀測的精度高、覆蓋天空面積大等優(yōu)點(diǎn),成為了現(xiàn)在最受矚目的天文觀測設(shè)備,利用SDSS產(chǎn)出的科學(xué)成果為平均每天2至3篇論文。
腳注5:標(biāo)高是一個(gè)數(shù)學(xué)概念。如果薄盤上的恒星數(shù)目呈指數(shù)衰減,恒星數(shù)目衰減為最大值的大約37%時(shí)的高度就是這個(gè)薄盤的標(biāo)高。標(biāo)高越大表示衰減的相對平緩,標(biāo)高越小表示急劇衰減。

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銀河系那些事兒（3）厚此薄彼

高爽