北京时间5日凌晨，正逢跨年时刻，国际科学期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）在线发布一项重大研究成果，我国天文学家首次通过恒星的观测向人类展示银河系外盘惊人的翘曲结构。该成果更新了人们对银河系形状的认知，在为人们最终理解像银河系这样的巨大盘星系如何形成和演化提供了关键线索。
“在没有获取丰富数据前，银河系的恒星盘看起来似乎是一个总体上平坦的圆盘，但实际并非如此。理论上，星系盘一直处于不稳定的状态。”上述研究论文的联合通讯作者、国家天文台恒星与恒星系统团队首席科学家、西华师范大学天文系主任邓李才接受科技日报记者采访时说，在外盘处，巨大的星系盘会逐渐向上或向下卷起，整体形成一个接近炸薯片一样的弯曲状态。天文学家称这种形状为星系盘“翘曲”，这种结构可以在侧向的河外盘星系上直接看到。
但由于人类本身处于银河系的恒星盘上，研究银河系恒星盘的结构就变得相当困难。这就是“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。
不过，大量观测表明，大约三分之一的河外盘星系都或多或少展现出翘曲形状。科家们据此猜测，银河系是否也如此呢？
实际上，很早就有射电观测发现银河系的气体盘呈现出翘曲结构。银河系的恒星盘跟气体盘的结构类似，也呈现出翘曲结构吗？“因为气体与恒星都受到同一引力场控制，理应显示同样的翘曲结构，但关于恒星盘的形状一直缺少直接的证据。”邓李才说。
银河系银盘翘曲的艺术想象图
“这是因为，准确知道银河系外盘的距离才能确定外盘的形状，但银河系外盘的距离很大，测量起来十分困难，它需要精准且足够明亮的标准示踪恒星。”上述研究论文的第一作者、国家天文台陈孝钿博士表示，造父变星是此次研究取得突破的关键所在，它帮助天文学家有效测量银河系外盘的距离。
“造父变星是一类中等质量的年轻脉动变星，与太阳相比，造父变星重3-20倍，亮约9几万倍。由于它们的脉动周期与光度严格相关，因此可以用于精确测定距离，精度可达到3%-5%。”陈孝钿解释道。
在进行上述研究工作之前，陈孝钿领衔发布了第一个红外全天变星星表，这张表包括34769颗新发现的变星，其中有1312颗为银河系造父变星，超过了过去100年间天文学家发现的银河系造父变星总和，为成功揭开银河系银盘的精准结构埋下伏笔。“这批像珍珠般宝贵的恒星正是指示银河系年轻恒星盘的形状的绝佳示踪体。”陈孝钿说。
“尘埃消光是测量银河系银盘恒星距离的最大障碍。如同雾霾一样的星际尘埃使得测量恒星的距离变得十分困难，尤其是在传统的光学波段。但红外多窗口研究可以大大缓解这一困难。我们此次的成功得益于我们团组在消光规律研究上的经验。”上述研究论文的联合通讯作者、北京大学的王舒博士解释道。
陈孝钿告诉记者，本次研究的整体样本有2330颗银河系造父变星，包括红外发现的1312颗和其他星表搜集到的。“我们精选了样本中的1339颗。它们犹如明灯一样点亮了被‘烟雾’笼罩的银河。”
陈孝钿于2016年加入国家天文台“恒星与恒星系统团组”，该团队的主要工作方向是银河系研究，团队人员还包括国家天文台研究员刘超、澳大利亚麦考瑞大学理查德·迪何锐思教授以及北京大学王舒博士，他们长期钻研银河系结构和恒星时域问题。
从三维空间分布图中，陈孝钿与团队发现距离银河系中心越远，这些造父变星就越偏离银盘面，整体呈“S”型；如果面向银心并让北银极朝上，那么左手边的银盘就会朝上（北）卷起，右手边的则相反。不仅如此，他们还发现，从银心向外翘曲呈现复杂的进动现象。
上图：造父变星揭示的银河系银盘三维图，太阳（橙色圆形图标）并不在翘曲交点线上。kpc为天文距离单位，1kpc大约为3262光年。下图：翘曲交点线角随银心距存在进动。
“结果显示，造父变星的恒星盘结构和银河系气体盘的结构非常一致。而更重要的是，这个翘曲的‘S’形状还存在逐渐扭转的螺旋样式。”论文的合作者理查德迪何锐思教授指出。
尽管翘曲现象在河外星系中经常出现，但理论家们对它如何形成的说法莫衷一是。一种可能的解释是外盘受到某种转矩作用而形成。“转矩假说可以解释复杂的翘曲进动现象，我们的观测结果倾向外盘的形成是由巨大的内盘转矩主导的。在盘的动力学研究上，我们的成果意义重大！”论文的合作者刘超表示。
“银河系盘的翘曲通过恒星观测结果被证实，这首先更新了人们对银河系形状的认识，同时也对外盘起源提供了决定性的观测证据，为我们最终理解像银河系这样的巨大盘星系如何形成和演化提供关键线索。”邓李才兴奋地说道。