近期，中國科學(xué)院上海天文臺與上海交通大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在仙女座星系（M31）結(jié)構(gòu)研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了在星際氣體觀測數(shù)據(jù)中搜尋激波的新思路，從而給出了M31星系是一個(gè)棒旋星系而非普通旋渦星系的獨(dú)立證據(jù)，并利用流體動力學(xué)模擬重現(xiàn)了氣體中激波的主要觀測特征。相關(guān)研究成果近期發(fā)表于國際天文權(quán)威期刊《天體物理期刊》（The Astrophysical Journal）。該研究成果于7月25日被美國天文學(xué)會（AAS） Nova網(wǎng)站選為研究亮點(diǎn)，以“仙女座星系中的棒”（A Bar in the Andromeda Galaxy）為題在網(wǎng)站頭條報(bào)道（圖1）。該網(wǎng)站從美國天文學(xué)會出版的眾多天文期刊中每周精選約五篇論文作為研究亮點(diǎn)，分享給天文學(xué)界。

圖1. 研究成果于7月25日被美國天文學(xué)會（AAS） Nova網(wǎng)站選為研究亮點(diǎn)，以“仙女座星系中的棒”（A Bar in the Andromeda Galaxy）為題在網(wǎng)站頭條報(bào)道。

旋渦星系分為正常旋渦星系與棒旋星系兩類。棒旋星系中心的棒是由恒星構(gòu)成的長條形結(jié)構(gòu)，它是驅(qū)動旋渦星系內(nèi)部長期緩變演化的最重要內(nèi)因。M31是距離我們最近的旋渦星系。長久以來，天文學(xué)家一直試圖確定M31的星系形態(tài)，從而給出它在著名的哈勃星系分類圖中的位置。但由于M31相對于我們的視線方向幾乎是一個(gè)側(cè)向星系，因此很難直接從星系圖像上確定其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征。在此之前，天文學(xué)家根據(jù)恒星等亮度線的扭曲提出M31可能包含一個(gè)星系棒，但這一現(xiàn)象并不一定只能由棒產(chǎn)生，也可以由一個(gè)不轉(zhuǎn)的橢球狀核球產(chǎn)生[1][2][3][4]。氣體觀測數(shù)據(jù)也暗示M31可能有棒存在，如顯著的氣體非圓周運(yùn)動，扭曲的零速度線等。但其他機(jī)制——例如與另一個(gè)星系的并合過程——也會導(dǎo)致類似的特征。所以作為一個(gè)具有顯著經(jīng)典核球成分的星系[5]，對于M31是否是一個(gè)棒旋星系仍然存在很大爭議，而確定M31的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將為天文學(xué)家更好地理解我們的近鄰星系的結(jié)構(gòu)演化提供巨大幫助。

為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了在星際氣體觀測數(shù)據(jù)中搜尋激波的新思路，從而給出了M31星系是一個(gè)棒旋星系而非普通旋渦星系的獨(dú)立證據(jù)，并利用流體動力學(xué)模擬重現(xiàn)了氣體中激波的主要觀測特征。

當(dāng)旋渦星系的棒驅(qū)動星際介質(zhì)內(nèi)流時(shí)，會引發(fā)激波。這種激波會產(chǎn)生棒旋星系最為顯著的特征之一——在棒前導(dǎo)側(cè)（leading side）會形成一對塵埃帶，其尺度與棒長相仿。上海交通大學(xué)沈俊太教授表示：“激波會在位置-視向速度圖（position-velocity diagram）上展現(xiàn)出急劇的速度跳變特征。而這種劇烈的速度跳變特征能夠被積分視場光譜儀（integral field unit, IFU）捕獲并分辨。如果這些激波特征符合棒旋星系激波的規(guī)律，那么就能明確證明M31星系中存在棒?！?/p>

基于這個(gè)思路，研究團(tuán)隊(duì)利用最新的積分視場光譜儀VIRUS-W對M31中電離氧氣體發(fā)射線[OIII]的觀測數(shù)據(jù)，并結(jié)合中性氫原子氣體(HI)的數(shù)據(jù)，提取了垂直于星系盤主軸方向不同切片內(nèi)的位置-視向速度圖，最終通過邊緣檢測算法識別出了M31星系[OIII]和HI數(shù)據(jù)中的激波特征（圖2）。

圖2. M31星系在遠(yuǎn)離我們一側(cè)的[OIII]的激波特征。波長為500納米左右的二次電離氧[OIII]雙發(fā)射線是可見光譜中的禁線，只可能在非常低密度的宇宙環(huán)境下出現(xiàn)，是VIRUS-W光譜儀波長范圍內(nèi)的最主要發(fā)射線之一。數(shù)據(jù)點(diǎn)代表[OIII]的觀測數(shù)據(jù)，顏色代表流量密度。每一個(gè)子圖對應(yīng)一個(gè)垂直于盤主軸的切片。X代表切片在盤主軸上的位置。黑色曲線代表數(shù)據(jù)點(diǎn)被平滑后的結(jié)果。紅色粗線，細(xì)線和虛線分別代表最強(qiáng)的，較強(qiáng)的和較弱的激波特征。大多數(shù)激波特征分布在星系的遠(yuǎn)端（在盤主軸下方）。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些激波特征較為規(guī)律地分布在千秒差距(kpc)量級的尺度上（圖3）。目前最新的恒星動力學(xué)模型認(rèn)為M31星系的棒主軸角度與盤主軸相差約17度[6]。如果這樣的假設(shè)成立，那么激波特征的確主要分布在棒的前導(dǎo)側(cè)，這與棒旋星系的理論預(yù)期非常一致。

圖3. [OIII]和HI激波特征在M31星系內(nèi)的空間分布。背景光學(xué)圖像來源于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，Subaru和Mayall望遠(yuǎn)鏡。紅色圓圈和藍(lán)色三角形分別代表[OIII]和HI中的激波位置。實(shí)心，空心和虛框表示的標(biāo)志分別代表最強(qiáng)的，較強(qiáng)的和較弱的激波特征。虛線代表最新動力學(xué)模型中的棒主軸方向。

“我們發(fā)現(xiàn)這些激波特征主要分布在M31的核球區(qū)域，其速度跳變最強(qiáng)可超過170千米/秒，速度梯度可達(dá)1.2千米/秒/秒差距?！鄙虾Ｌ煳呐_博士研究生馮子軒表示：“我們面臨的問題是，基于旋轉(zhuǎn)星系棒勢場的流體數(shù)值模擬能否重現(xiàn)這樣急劇的激波特征。”研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合最新的恒星動力學(xué)模型，模擬了不同棒轉(zhuǎn)速、氣體有效聲速和觀測視角下的氣體運(yùn)動，最終得到了與觀測結(jié)果基本一致的模型（圖4）。模型中的激波位置和速度跳變特征與觀測中的基本一致，該模型棒的轉(zhuǎn)速為20千米/秒/千秒差距,氣體有效聲速為30千米/秒。棒主軸的方位角和氣體盤傾角分別為54.7度和77度。研究團(tuán)隊(duì)還測試了用無旋轉(zhuǎn)的棒來類比橢球狀核球結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)無旋轉(zhuǎn)的棒無法產(chǎn)生激波，也不會有明顯的速度跳變特征。這些發(fā)現(xiàn)都進(jìn)一步表明M31擁有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的中心棒，而非一個(gè)靜態(tài)的橢球狀核球。

圖4. M31星系的氣體動力學(xué)模型。左側(cè)展示了M31模型投影至天空平面后（左上角）和投影前（左下角）的氣體面密度分布。其中粉色圓圈和紫色三角形分別代表[OIII]和HI數(shù)據(jù)中的激波位置。右側(cè)展示了不同切片對應(yīng)的位置-視向速度圖，黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)代表模型中氣體的速度分布，紅色和藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)分別代表[OIII]和HI的觀測數(shù)據(jù)。右下角為右上角圖片在激波處的放大版本，虛線代表無旋轉(zhuǎn)的棒模型。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，本次研究給出了M31星系有棒結(jié)構(gòu)的明確的觀測證據(jù)，這有助于揭示M31結(jié)構(gòu)形成及動力學(xué)演化歷史，而確定了M31的棒結(jié)構(gòu)將為天文學(xué)家更好地理解我們的近鄰星系的結(jié)構(gòu)演化提供巨大幫助。研究團(tuán)隊(duì)將在后續(xù)研究中將觀測到的氣體特征與更多氣體動力學(xué)模擬進(jìn)行詳細(xì)比較，以期更好地了解M31中心的氣體特征以及明確M31棒的主要參數(shù)。

中國科學(xué)院上海天文臺博士研究生馮子軒、上海交通大學(xué)天文系博士后李智為論文的共同第一作者，上海交通大學(xué)沈俊太教授為通訊作者。本項(xiàng)成果的主要合作成員為德國馬普學(xué)會地外物理研究所的Ortwin Gerhard團(tuán)組。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、上海交通大學(xué)等機(jī)構(gòu)的資助。本工作的數(shù)值模擬使用了上海天文臺Cluster集群和上海交通大學(xué)天文系Gravity集群。

注釋：

[1] Stark, A. A. 1977, ApJ, 213, 368

[2] Gerhard, O. E., Vietri, M., & Kent, S. M. 1989, ApJL, 345, L33

[3] Méndez-Abreu, J., Simonneau, E., Aguerri, J. A. L., & Corsini, E. M. 2010, A&A, 521, A71

[4] Costantin, L., Méndez-Abreu, J., Corsini, E. M., et al. 2018, A&A, 609, A132

[5] Athanassoula, E., & Beaton, R. L. 2006, MNRAS, 370, 1499

[6] Bla?a Díaz, M., Gerhard, O., Wegg, C., et al. 2018, MNRAS, 481, 3210

原標(biāo)題：《上海天文臺與上海交通大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在仙女座星系（M31）結(jié)構(gòu)研究方面取得重要進(jìn)展》