近日，中國科學(xué)院大學(xué)、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)、北京大學(xué)和上海交通大學(xué)合作，基于國家天文臺(tái)負(fù)責(zé)運(yùn)行的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡以及歐洲航天局蓋亞衛(wèi)星數(shù)據(jù)，首創(chuàng)了“時(shí)光動(dòng)畫”新方法，利用不同年齡的造父變星樣本直接測(cè)量出銀盤翹曲的進(jìn)動(dòng)方向和速率?；诖?，該工作揭示了當(dāng)前銀河系的暗物質(zhì)暈形狀為接近球形的扁橢球。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-天文學(xué)》上。

在近鄰宇宙中，多數(shù)盤狀星系不是完美的圓盤而是在外區(qū)表現(xiàn)出像薯片一樣的彎曲狀態(tài)，被稱為翹曲。銀河系作為典型的盤狀星系，表現(xiàn)出翹曲特征。通常認(rèn)為，翹曲的起源是外盤物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)平面偏離了包裹它的暗物質(zhì)暈的對(duì)稱平面。這樣一個(gè)傾斜的轉(zhuǎn)動(dòng)銀盤如同一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺，受到暗物質(zhì)暈施加的引力矩產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)。然而，翹曲的進(jìn)動(dòng)速度在方向和速率的測(cè)量方面存在爭(zhēng)論。這是由于之前的測(cè)量依賴運(yùn)動(dòng)學(xué)的間接方法，使用的示蹤天體因動(dòng)力學(xué)擾動(dòng)或加熱效應(yīng)而影響測(cè)量的準(zhǔn)確度與精度。

該研究利用蓋亞衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的2600顆年輕的經(jīng)典造父變星作為銀河系翹曲的示蹤天體，并結(jié)合郭守敬望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)測(cè)量了2600顆經(jīng)典造父變星的距離和年齡，提出了“時(shí)光動(dòng)畫”方法，描繪了距今2.5億年間不同年齡切片的銀盤三維結(jié)構(gòu)。該研究通過動(dòng)畫“放映”方式，揭示了銀盤翹曲的演化過程，發(fā)現(xiàn)了翹曲沿著逆太陽旋轉(zhuǎn)方向以2 km/s/kpc（每百萬年0.12度）的速率進(jìn)動(dòng)。進(jìn)一步，測(cè)量顯示，隨著造父變星樣本離銀心距離的增加，翹曲的進(jìn)動(dòng)速率逐漸減小。無論翹曲如何起源，其進(jìn)動(dòng)速率和方向均由銀河系內(nèi)盤與暗物質(zhì)暈共同決定。研究發(fā)現(xiàn)，在扣除銀河系內(nèi)盤的貢獻(xiàn)后，當(dāng)前包裹翹曲的銀河系暗物質(zhì)暈呈現(xiàn)出略微偏離球形的扁橢球形狀，且只有這一形狀能夠解釋翹曲的剩余進(jìn)動(dòng)大小。上述成果為探討銀河系暗物質(zhì)暈的演化提供了重要錨點(diǎn)。

這一成果得到了兩位審稿人的高度評(píng)價(jià)。審稿人認(rèn)為，“時(shí)光動(dòng)畫”是一項(xiàng)新穎且深具說服力的方法，并首次精確測(cè)定了進(jìn)動(dòng)的方向和速率。

論文鏈接

左圖：旋轉(zhuǎn)的陀螺在重力力矩下產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)；右圖：類比陀螺，銀盤翹曲在暗物質(zhì)暈的力矩下“翩翩起舞（進(jìn)動(dòng)）”（上海交通大學(xué)制作的藝術(shù)想象圖）

不同年齡切片的造父變星構(gòu)建的銀盤三維結(jié)構(gòu)以及翹曲節(jié)點(diǎn)線隨樣本年齡的變化