关于作者
高爽，德国海德堡大学自然科学博士。中国科学院国家天文台lamost博士后，北京师范大学讲师。主要研究方向是银河系结构和演化。面对星空，会让我感到平静和愉悦。同时兼顾科研工作和科普宣传，发表系列科普文章，主讲过十几次科普讲座。始终坚信，天文学吸引人不仅因为它神秘，而应该用通俗易懂的方式拉近人与科学的距离，使大众感受到宇宙的美。热爱文艺，喜欢旅游和摄影，写写博客和散文，打非洲鼓，听音乐剧，烹调美食，这些都是日常的最爱。自认为科学工作者不必须是厚瓶子底眼镜 陈景润风格，也可以是有审美的小清新。
银河系那些事儿（3）厚此薄彼
高爽
2014年08月07日
(原载于《天文爱好者》2012年12月刊)
当你读到这篇文章的时候,美国印第安纳大学天文系的艾琳 弗里尔(eileen friel)教授正在给她的学生上课。课程的名字叫做《星系天文学》,研究生必修。1984年的 艾琳 弗里尔在加州大学圣克鲁兹分校(university of california at santa cruz, ucsc)读研 究生,那时的弗里尔教授还只是弗里尔同学,听她的老师讲授《星系天文学》。但是,今天 的弗里尔教授所教的《星系天文学》与80年代弗里尔同学所学的相比,已经有了大大的不 同。在这30年间,发生了变化的不是我们的银河系,而是我们对银河系的认识。正是弗里尔 同学本人,创造了这段历史。
1984年4、5月间的几个晚上,弗里尔同学用里克天文台3米望远镜和1米望远镜观测了巨蛇座的200颗恒星的光谱。利用这些光谱,弗里尔同学分析了恒星的金 属丰度和运动速度。她发现,绝大部分恒星具有类似太阳的金属丰度和速度,极少数恒星的 金属丰度极低;但还有一部分恒星,金属丰度介于前两者之间,这些星的距离也介于前两者 之间,这是一个崭新的结果。
1980年,天文学家约翰 巴克(john bahcall)(图4)等人就给出了一个双成分的银河 系模型。他们把银河系分为盘和晕两部分(后来在银河系中心又增加了一个核球成分)。盘 是一个扁平的,恒星密集的,相对年轻的,富含金属元素的系统;晕是一个弥散的,稀疏 的,相对年老的,贫金属的系统。用这样的双成分模型,巴克等人解释了粗略的银河系的结 构,并且基本符合他们观测到的测光结果。这已经成为天文学普遍接受的事实。直到吉拉德 加尔默(gerard gilmore)对这一经典理论提出挑战。加尔默和瑞德(reid)在 1983年共同完成了南银极方向18平方度的天空的观测,他们获得了这个方向上的12500颗恒 星的亮度。沿用我们在《银河系那些事儿(1)》(2012年10月刊)中提到的赫歇尔使用的 数星星的方法,他们发现,恒星的数目随着远离银道面越来越少,在1kpc的距离以内,完全 可以用巴克的模型来表示,但在1kpc以外,需要用另外一个规律来描述恒星的数目。加尔墨 和瑞德将这个额外的恒星数目称为厚盘,作为银河系的第三个成分。相对地,原来普遍接受 的银盘被称为薄盘。
但是,巴克等人并不善罢甘休,他们和加尔默之间你来我往进行了长久的论辩。加尔 默虽然发现了新的蛛丝马迹,但他们最后都承认,仅仅凭借恒星计数的方法,证据还并不充 分。而索内拉等人坚持的“只有薄盘”的观点,也屡屡遭到其他研究者的挑战。最终真正提供 了充分观测证据的,就是前文提到的弗里尔同学对巨蛇座的观测。金属丰度、运动学、距 离,几种参数共同分析表明,的的确确,除了薄盘之外,银河系还需要另一个成分来描述一 部分不可忽略的恒星。
艾琳 弗里尔同学毕业后做了几期博士后,再后来她后来成为了罗威尔天文台(lowell observatory)(脚注1)自1894年创建以来的首位女台长。今天坐在印第安纳大学的教室 里聆听弗里尔教授天文课的同学是幸福的,他们所面对的这位老师,正是创造、亲历并验证 这段历史的当事人,这位30年前在学生时代和他们一样聆听这节课的同学,正是亲自操作望 远镜给出厚盘观测证据的先驱。当我们今天仰望夜空银河的时候,也该是幸福的。因为我们 可以知道薄盘、厚盘这样的理念经过了众多先驱之手,还因为我们知道也许过不了多久,这 一切会再次遭遇挑战(脚注2),教科书再次被更新换代,有一批新的学生再次坐在天文的 课堂里聆听历史的新篇。
天文学家今天还不能完全解释清楚厚盘的实质。目前有4种关于厚盘如何起源的理论暂 时难分高下,皆有天文学上的一席之地。第一种理论认为厚盘的恒星完全是靠近银河系中心 的恒星向外迁移的结果。第二种理论认为原有的薄盘受到银河系周围其他星系的引力的影响 而让其中一部分恒星获得了更高的速度,最终脱离薄盘,成为厚盘恒星。第三种理论认为大 部分厚盘的成员恒星来源于银河系对外部其他小星系的捕获,这些小星系落入银河系的范围 内成为今天的厚盘。第四种理论认为厚盘是银河系中的气体相互并和的结果。总之,这一问 题仍然是天文学的前沿课题,每年都有不少探讨这一问题的学术论文被发表。但如果要彻底 地得到一个让科学界普遍信服的答案,可能还需要更为完善的观测数据作为证据。因此,银 河系不同方向上较为完整的的大样本的恒星光谱观测,对天文学的发展极为重要。这也是为 什么中国要不遗余力地建设郭守敬望远镜(lamost)(脚注3),欧洲和美国也在同时大 力发展大型的、高精度的恒星光谱巡天望远镜。
利用美国斯隆数字巡天(sdss)(脚注4)获得的大量可靠的数据表明,银河系的薄 盘和厚盘上的恒星都是越远离银河系中心数目就越低,越远离银道面恒星数目就越低,恒星 数目呈指数衰减。这就是经典理论中说的“双指数分布”。薄盘和厚盘指数衰减的标高(脚注 5)分别是300 pc和900pc。在太阳附近的恒星中,有11%的成员属于厚盘,0.4%的恒星属 于晕,其他都是薄盘恒星。这些结果会随着获取更多的数据而被更新。关于厚盘的产生原因 也会随着更多的数据而露出更加清晰的图景。我们相信,我们对于银河系的认识,就是这样 一步一步地积累起来,用更加完备的观测数据佐证我们异想天开的理论,用我们丰富的想象 力和理性指引未来的观测,永远也不拘泥于现状的安稳,随时准备让自己学过的东西有更新 的解释。
银河系晕和银河系周边小星系的话题,让我们留待下一次讲述。这个话题曾经是天文 学发展史上另一个让人激动的情节,也是认识银河系的又一次飞跃。
脚注1:罗威尔天文台是一所私人捐资成立的研究机构,创建人罗威尔是一位商人和天文爱 好者。罗威尔天文台发现了冥王星、天王星的光环、多颗小行星。
脚注2:来自美国的天文学家乔 鲍威(jo bovy)等人今年提出了新的观点,并在《天体物 理学报》上发表了一篇论文,题目是《银河系没有厚盘》。关于银河系厚盘的深入研究还在 继续,也许这场争论还远未结束。
脚注3:郭守敬望远镜,又名“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”,或lamost。lamost 有效口径4米,利用光纤技术可以同时观测4000个目标的光谱,成为世界上光谱获取效率最 高的望远镜。lamost位于国家天文台河北兴隆观测站,已于今年10月开始了正式的科学 巡天观测,计划运行5年时间,获取1千万恒星光谱,为研究银河系的结构和子成分的演化、 起源、化学、运动学等课题提供丰富的数据。
脚注4:斯隆数字巡天,又名sdss,采用一台位于阿帕奇天文台(apache point observatory)的2.5米望远镜做测光和光谱的观测。目前sdss已经释放了9次科学数据。由 于sdss观测的精度高、覆盖天空面积大等优点,成为了现在最受瞩目的天文观测设备,利 用sdss产出的科学成果为平均每天2至3篇论文。
脚注5:标高是一个数学概念。如果薄盘上的恒星数目呈指数衰减,恒星数目衰减为最大值 的大约37%时的高度就是这个薄盘的标高。标高越大表示衰减的相对平缓,标高越小表示急 剧衰减。