【科研进展】从微光星辰到星系宏图：通过晕星揭秘银河系的演化集成之旅
在银河系中蕴藏着约数千亿颗恒星，不仅有盘面上闪烁的星辰，还有那些栖息于银河系边缘的特殊存在——晕星。它们不仅是银河系恒星晕的居民，更是揭开银河系形成与演化的关键线索。
晕星——珍贵的银河系组成
当我们提到银河系这样的漩涡星系时，往往脑海中浮现的是那片布满璀璨星光的“银盘(disk)”，以及位于银盘中心的、花生形状的“核球(bulge)”。然而，银河系的结构及物质分布远比这更加深邃复杂。在银河系的边陲，稀疏散布的恒星、高热的气体与大量的暗物质交织在一起，它们共同构成了银河系的星系晕，即“银晕”。银晕包含了恒星晕(stellar halo)与暗物质晕(dark matter halo)，它们在空间上重合，但暗物质晕更为广泛，承载着银河系的大部分质量。虽然我们无法直接观测到暗物质，也无法直接研究暗物质的各类性质，但通过对恒星晕中晕星的探索，比如研究晕星的运动及相空间分布，我们可以间接洞悉暗物质的质量与分布。此外，通过寻找和研究恒星晕中的晕星成团子结构，我们可以追踪银河系的吸积历史，揭示它曾经历过的与其他不同大小的星系所发生的并合事件。因此，尽管晕星在银河系中的质量比例很小，它们具有非常重要的研究价值。
图1. 银河系的组成
晕星的诞生——银河系的外来居民
那么，这些独特的晕星是如何诞生的呢？与银盘上的恒星不同，它们并非银河内部自身气体冷却塌缩的产物。大部分晕星来自于其他更小的卫星星系或球状星团。这些小质量的卫星星系被银河系吞并后，它们的恒星也随之成为了银河系的新成员。在这一过程中，这些卫星星系会在靠近及进入银河系所在的宿主暗物质晕后，受到强大的潮汐作用而逐渐解体，其中的恒星被剥离出来，在银晕中留下原星系的残骸。最初，这些被潮汐作用拉扯出的恒星会保持较为相近的轨道，形成明显的带状星流结构。天文观测上，这些星流结构已在银河系周边及其他近邻的星系周边被发现（见下图）。随着时间的推移，这些结构会逐渐松散，其空间成团性也会逐渐减弱。这些星流子结构作为吸积事件的“化石”记录，是银河系曾经吸积和并合周围小质量星系的证据。因此，通过识别恒星晕中的子结构或量化晕星在相空间的成团性，我们可以一定程度上揭示银河系的演化集成历史。
图2. 斯隆数字化巡天（SDSS）中银河系北天的星流。图中的颜色标记了恒星到我们的距离，类似颜色的区域代表这些恒星的距离类似，强度对应恒星的投影数密度。其中最明显的星流为人马座星流（Sagittarius stream），其余的星流包括Orphan stream及Palomar 5等。圆圈标注了在当时巡天数据中新发现的一些矮星系及球状星团。（Credit: Vasily Belokurov）
在近期发表于《天体物理学杂志》(ApJ) 的文章中，我们将星系宇宙学领域常用的两点相关函数应用到晕星，从统计上量化晕星在实空间及速度空间的成团性。当两点相关函数的信号值越高时，就意味着恒星越聚集。通过从Illustris-TNG宇宙学流体模拟中选择类银河质量的星系系统，该工作探讨了两点相关函数信号的强弱与类银河星系星晕形成时间早晚或质量增长历史间的关系，为从银河系晕星的成团性出发限制我们宿主星系的演化集成历史打下了基础。该论文第一作者为上海交大天文系本科生张亦柯，通讯作者为天文系王文婷研究员，合作者包括韩家信副教授及杨小虎教授等人。
作者介绍：
张亦柯，上海交通大学天文系2020级本科生，从二年级开始加入王文婷研究员课题组，参与本科生早期科研实践及第41期PRP （Participation in Research Program）项目。她成功在《天体物理学杂志》以第一作者发表学术论文，荣获上海交大物理与天文学院优异毕业论文，并被哥伦比亚大学录取，继续攻读硕士。
论文链接（点击阅读原文查看）
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad188c
供稿：张亦柯、王文婷
图文编辑：黄芳
责任编辑：叶丹、朱敏
推 荐 阅 读
1、物理与天文学院全面开展2024年实验室“安全生产月”系列活动