(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核球成分)。盤 是一個扁平的,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,需要用另外一個規(guī)律來描述恒星的數(shù)目。加爾墨 和瑞德將這個額外的恒星數(shù)目稱為厚盤,作為銀河系的第三個成分。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。總之,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。這個話題曾經(jīng)是天文 學(xué)發(fā)展史上另一個讓人激動的情節(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。