随着国际上各大巡天望远镜的数据发布，天文学家发现银河系并非像早期教科书上描述的那样——大部分恒星分布在扁平状的圆盘（简称银盘）上，且处于简单的对称结构中；而是发现银河系的成长历程中，经历过多次吸积、碰撞、并合矮星系的复杂过程，这些过程使得银盘出现了翘曲、波浪状等非对称结构（如图1所示），同时在银盘的垂直相空间中，还会出现“蜗牛”状的螺旋结构。

近日，由杭州电子科技大学、上海交通大学、中国科学院国家天文台以及三峡大学等单位组成的研究团队利用我国郭守敬望远镜（LAMOST）和欧空局盖亚（Gaia）卫星的巡天数据，详细分析了太阳邻域1万光年范围内大约75万颗恒星的南北分布，分别从运动学、恒星数密度以及化学丰度三个角度同时找到了恒星在银盘上的南北不对称性，及其与相空间“蜗牛”结构之间的关联证据，有力证明了二者具有相同的物理形成机制，相关成果被英国《皇家天文学会月刊》（MNRAS）发表。论文链接：点击这里。

图1 银河系的银盘并不平滑，而是存在“波浪”一样的起伏（图源：海蒂·纽伯格）

在研究过程中，林俊等人详细分析了在太阳邻域大约1万光年（距离银河系中心的圆周轨道半径Rg约为8-11kpc，以下简称引导中心半径）范围内的恒星垂直速度弥散分布。发现在银盘垂直方向上位于银盘北侧约2.3光年和银盘南侧约1.6光年附近的恒星速度弥散曲线存在下凹。该下凹特征在不同半径、不同金属丰度样本中普遍存在（图2所示）。

图2 在不同引导中心半径Rg范围拥有不同金属丰度[Fe/H]的薄盘星的垂直速度弥散分布。图例标注了金属丰度及每个数据点使用的恒星数目。

研究发现，数密度南北不对称与垂直速度弥散南北不对称的起伏位置能够很好的对应，而与金属丰度南北不对称则部分对应，这可能是由于金属丰度存在较大弥散及测量误差，这一结果进一步确认了前人的结论。此外，研究团队还发现不同半径处的速度弥散南北差异曲线存在系统性变化，表现为曲线的波峰和波谷的位置随着半径增大在垂直银盘的方向上向银盘偏移，即存在错位现象（图3 左上）。这一错位现象可能与不同半径处垂直引力势的变化有关。

 研究结果表明，垂直速度弥散南北不对称的特征与垂直相空间中相位螺旋存在密切关联。如图4所示，当“蜗牛”结构和z轴相交时，数密度相对银盘另一侧会有所增高，而这些恒星具有较小的速度，导致速度弥散相对银盘另一侧有所降低。这也是数密度和速度弥散南北差异曲线的波峰波谷正好反过来的原因。此外，由于垂直引力势随半径增大而减小，导致半径较小的“蜗牛”结构位于相空间的外围，因此与z轴的交点会更远离银盘，呈现出观测上的错位趋势。 

研究团队还通过测试粒子模拟薄盘受到矮星系撞击，再现了错位特征（图3右列），且模拟中得到的结果与观测结果定性符合。但由于未考虑自引力效应，以及实际扰动中扰动时间和初始相位随着空间分布有所变化，模拟和观测之间仍然存在一定差异。

图3 上排为垂直速度弥散分布，中间展示了｜Vz｜<20 km/s的恒星南北数密度差异, 下排显示了南北金属丰度中值差异曲线。左列为观测结果，右列为模拟结果。不同颜色对应不同引导中心半径范围。如图所示，三种南北差异的位置存在高度关联，且数密度和速度弥散存在明显错位。

研究分析表明，垂直相空间中的相位螺旋导致了垂直速度弥散分布中普遍存在的下凹特征，而相空间螺旋的形态随半径变化的特征导致了速度弥散南北不对称性随半径的变化。该成果为银盘南北不对称的研究提供了新的视角，并为更加准确地研究银盘垂直动力学提供了帮助。 

图4  垂直方向相空间的“蜗牛”结构。

硕士研究生林俊为该成果第一作者。该工作在杭州电子科技大学田海俊教授、上海交大郭锐博士、三峡大学Sarah A. Bird 副教授以及国家天文台刘超研究员等老师的指导下完成，同时得到了国家自然基金（12373033，11873034, 12103031）等项目的资助。

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：LAMOST之声