科研人员基于LAMOST-Gaia数据在“物语星源计划”中取得系列新进展
发布时间:
2023-09-06 16:58
修改时间:
2023-09-06 16:58
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科研人员基于LAMOST等大型巡天项目的数据,在统计物理、星系动力学、流体力学基础上,从第一性原理出发提出了探索银河系以及近邻星系盘系统起源的详细计划和想法,并正在建立一般性理论框架,该计划被他们简称为“物语星源计划”(MWLUDPSG)。目前该计划主要围绕银河系和人马座矮星系的星族结构动力学进行了系统性研究,并取得了一系列科研成果。基于LAMOST数据的主要新进展如下:

1. 翘曲起源新发现

浩瀚无垠的宇宙中存在大量盘状星系,在很多盘状星系中存在明显的不对称结构,该结构特征可能是“L”型态、“U”型态、或“S”型态,科研人员称之为“翘曲”。银河系的盘也同样拥有一个明显的“S”型结构或者“薯片状”非对称结构。过去70多年来,天体物理学家已经在气体、尘埃和恒星(星团)的分布中探测到明显的“薯片状”结构。这种结构的起源可能是气体直接掉落到银盘上(Gas infall)的电磁相互作用或磁场的复杂物理过程等;亦或是矮星系的掉落或潮汐相互作用 (Tidal force)导致银晕与星系盘的动力学错位 (Misalignment),引发扭矩 (Torque)变化从而导致翘曲的产生等。并且很多团队发现恒星自引力过程 (Stellar gravity) 会导致年轻星族比年老星族翘曲强度更大。截止目前,天文界对于翘曲所蕴含的丰富的引力或非引力过程或两种过程的耦合物理仍然知之甚少,对于其中涉及的至少10种模型的部分物理细节尚不清晰。

图1 左图为不同恒星星族的翘曲强度分布,右图是银河系翘曲形状示意图。

图2 不同颜色代表不同LAMOST恒星星族在银盘区域的丰富星系震动学特征。

LAMOST巡天的继续开展和Gaia DR3更高精度数据的发布,为了解更多翘曲的物理细节奠定了基础。近期,该团队在他们之前的工作基础上,进一步考虑了模型简并性、误差分析的精确性、进动和引力的复杂性后,在翘曲起源方面的研究取得了新的进展。

西华师大天文系硕士生李祥在该系罗杨平研究员和罗马费米研究中心王海峰博士指导下,充分发挥LAMOST恒星大样本的优势,基于OB恒星,红团簇星,主序恒星不同的年龄星族和一个不依赖于假设的简化模型(Wang H.-F., et al. 2020b, 897, 119),再次从另一个全新维度揭示出年轻星族的翘曲强度比年老星族的强度更大,同时具有长期存在的非稳态特性;细致讨论了矮星系并合和气体直接掉落到银盘的物理起源过程;该团队认为在模型选择过程中不要忽略星族多样性;重视引力和气体动力学的其他可能性等因素。关注引力的同时,审慎对待宇宙中电磁相互作用效应。

此外,他们首次揭示出银盘上不同星族的“弯曲 (Bending)” 和“呼吸 (Breathing)”模式所呈现的不同的星系震动学特征;肯定翘曲的倾斜 (lopsided) 特性并指出其强度应该弱于APOGEE和Gaia部分团队最新工作所提到的部分结论,从而间接肯定翘曲进动 (Precession) 应该较小,直接肯定了部分理论预言。该文章目前已被国际期刊《天体物理学报》(Li, X., *Wang, H.-F., Luo, Y.-P., et al. 2023, ApJ, 943, 88)发表。

 

2. 屋脊结构和跳变结构的新认识

所谓“屋脊”结构,描述的是恒星的径向速度在径向距离(R)与轴向速度(Vphi)的平面分布中,清晰地呈现出很多斜线结构特征,如同房屋的脊梁(定义不唯一)。目前国际上对“屋脊”结构的起源和物理机制的讨论莫衷一是。近期基于Gaia DR3数据的研究团队,在“屋脊”动量与作用量空间里,从新的维度发现了一个新跳变结构,命名为”Break”,其在某个特定角动量附近,恒星的垂直速度向下跳变后又会向上跳变,该特征作为Gaia代表性成果引起了国际同行广泛讨论。

之前,王海峰等人 (Wang H.-F., et al, 2020c, ApJ, 902, 70) 基于LAMOST与理论模型的定性比对,认为银河系旋臂的相位混合过程、人马座星流的扰动对该结构有重要贡献,两者共同作用可能导致了如今我们在多星族下看到的丰富多彩又此起彼伏的银盘特征的出现。但是他们没有对“屋脊”的南北非对称性和化学非对称分布的时间演化特性做出深入探讨。

近期,西华师大天文系硕士生杨鹏在该系罗志全、罗杨平教授和罗马第一大学王海峰博士的指导下,基于LAMOST数据将“屋脊”的空间范围再往外延伸了3kpc的同时,发现了更多新的“屋脊”特征,首次发现“屋脊”结构的南北非对称性质与时间演化规律;化学分布的不对称性质及其强度的时间演化历史;指出“屋脊”与旋转曲线的动力学可能有关联等,且物理起源机制在耦合效应,动力学分布函数上的复杂性。这与“物语星源计划”(MWLUDPSG)的主要观点不谋而合。此外,他们发现此前工作中在数密度空间上未探测到的“屋脊”,现在已经清晰呈现出来,表明他们在六维相空间中都探测到了“屋脊”信号。

更有趣的是,他们指出基于Gaia DR3数据新发现的“跳变结构”,其南北的非对称特征以及其他运动学演化特性的起源,不可能单独由银河系棒的动力学所解释;旋臂的动力学、矮星系并合的动力学乃至翘曲的气体动力学也非常有可能导致该结构的产生。因此,在Gaia 系列文章基础上,学界同行对于这个跳变结构的认识将更加全面和深刻。该研究成果已在国际期刊《天文学杂志》发表(Yang, P., *Wang, H.-F., Luo, Z.-Q., et al. 2023, AJ, 165, 110)。

图3 左图为“屋脊”投影到速度与角动量平面后看到的“Break”特征;右图为化学“屋脊”的非对称性及其演化的半定量分析。

 

3. 恒星参数测量新方法

基于以上关于翘曲、屋脊及其跳变的系列新发现,研究团队意识到LAMOST不同恒星星族或不同年龄星族具有非常重要的科学意义。值得一提的是,2022年,西华师大天文系硕士生李启达在该系罗杨平研究员和巴黎天文台王海峰博士等人指导下,基于随机森林的机器学习方法和凸包算法,在前期LAMOST星表基础之上,测定了近百万红巨星的质量和16万红团簇恒星的年龄,最终质量精度可以达到13%(测试精度达3%),年龄精度达到18%。特别要指出的是,与疏散星团的数据相比,红团簇星样本中的星团成员星的年龄精度大约在10%。并且首次针对恒星年龄参数,对6种不同机器学习方法进行比较,完成了不同恒星参数的权重分析,肯定了非线性机器学习方法的优势。最后,他们描述了随机森林和梯度决策提升树算法的独特优势,并对化学丰度测定做出了探讨。该文章此前已被《天体物理学报增刊》(ApJS)正式发表(Li, Q.-D., *Wang, H.-F., Luo, Y.-P., et al. 2022, ApJS, 262, 20)。

图4 LAMOST恒星年龄测定与疏散星团比较。

 

4. 未来展望

截止目前,“物语星源计划”已经完成了核心论文近20篇,基于LAMOST数据系统开发银晕星流搜寻新算法等数篇研究成果将于近期投稿,基于Gaia数据研究目前最远银河系盘旋转曲线和银河系质量的系列文章也已接受发表。该团队充分利用LAMOST等巡天项目的数据来实现更多科学目标的计划才刚刚开始,未来该团队会继续结合多波段多信使数据深入剖析银河系盘的星族结构动力学,乃至近邻宇宙盘星系的星系震动学与气体动力学,从而更加清晰地描绘复杂星系盘生态系统物理规律,同时促进我们对于近邻宇宙的暗物质本质的理解。

图5  “物语星源”计划展望示例图:银河系的盘与人马座矮星系在模拟中的华尔兹共舞,翘曲、屋脊以及边缘增厚、旋臂和棒结构就隐藏在银盘中。

国家天文科学数据中心为天文观测设备和研究计划提供数据与技术服务。

 

新闻来源:https://mp.weixin.qq.com/s/Ew6JJxrZhGT8KyZq7XVmhA

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Yang Hanxi
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