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大麥哲倫星系觸發,銀河系部分結構的反應運動

臺北天文館_96
・2021/02/22 ・3126字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 本文轉載自臺北天文館,《臺北星空》第 99 期
  • 文/美國夏威夷大學天文研究所 泛星計畫博士後研究員|林建爭
  • 校稿/美國夏威夷 專案文物修復師|王品方

來自愛丁堡大學的天文學家 Michael S .Petersen 與 Jorge Peñarrubia 近期在自然 (Nature) 期刊中,針對銀河系與大麥哲倫星系 (The Large Magellanic Cloud) 的交互運動,有了新的發現。這份最新的研究指出受到大麥哲倫星系重力場的影響,銀河盤面發生偏移,透過測量銀暈(銀河系的主要部分向外延伸,大致成球形的結構)上不同類型恆星的運動,發現銀河盤面正朝著大麥哲倫星系過往的軌跡方向移動,這個觀測結果與數值模擬的模型相符。

銀河系最大的衛星星系——大麥哲倫星系

大麥哲倫星系是銀河系最大的衛星星系,其質量超過銀河系的十分之一,近期觀測發現,它正以高達每秒 327 公里的速度從銀河系旁通過,離銀河系中心距離僅約 16 萬光年(註:銀河半徑約 5 萬光年),是最接近銀河系的。這樣規模的衛星星系在如此近的距離下高速經過銀河系帶來重力場的變化,使銀河盤面相對於質量中心產生偏移,然而銀暈與盤面受到衛星星系重力牽引的影響不同,位於銀暈越外圍的恆星需要較長的時間尺度才能將重力場的變化反應在運動軌跡上。

當一個外力突然進入一穩定旋轉的慣性系統,如同用手去觸碰正在旋轉的陀螺會使它產生偏移,銀河盤面因大麥哲倫重力場影響而會發生偏移且朝某一方向移動,銀暈的運動軌跡也會出現變化以維持動態平衡,這個銀暈因受盤面偏移而產生的運動改變稱作反應運動 (reflex motion)。

銀暈模擬圖。圖/Wikipedia

其實反應運動的測量在恆星尺度上也被拿來當作尋找系外行星的工具之一,如圖 1 所示,反應運動主要與系統中質點的質量比有關,舉例來說,一個質量越大的行星繞著母恆星旋轉,母恆星的反應運動越大(繞系統質心的旋轉半徑越大);因此,天文學家們可藉由觀測恆星的反應運動來發現周圍的未知行星,隨著觀測技術的進步,可以偵測到的自行運動越來越小,距離量測也越趨準確,未來藉由反應運動的測量將有機會發現更小質量的系外行星。

圖1. 系外行星系統。母恆星受到系外行星重力場影響而有些微偏移質量中心的圓周運動,紅色圈是母恆星的軌道,藍色圈是系外行星軌道,此系外行星系統質量中心在正中央。由於系外行星與母恆星亮度對比太大不易直接觀測,因此藉由精確測量母恆星的反應運動,可以間接推測此系統是否有行星的存在。模擬動畫/Movie of a star’s reflex motion
圖2. 銀河系與大麥哲倫星系交互運動模擬截圖。紅色是大麥哲倫星系及其軌跡,藍色是銀河系盤面受到大麥哲倫星系重力場影響的軌跡,銀河系盤面正朝大麥哲倫星系過去的移動軌跡移動。圖/The Milky Way in disequilibrium | Nature Portfolio Astronomy Community

那如何藉由反應運動的測量來分析銀河盤面與大麥哲倫星系的交互運動呢?天文學家 Petersen 等人利用銀暈上的 K 型巨星 (K Giants)、藍水平分支星 (Blue Horizontal Branchs) 和衛星星系來分析銀河盤面的移動速度。這三個分類中,資料樣本數量龐大的亮星來源 K 型巨星,擁有較精確的自行運動測量數值,有助於將盤面移動速度限縮在較小的範圍內,如圖 3 紅色區域所示。

圖3. 銀河系盤面運動方向投影圖。陰影輪廓由淺至深分別表示 67%、90%和 95%銀河盤面運動方向的機率,不同顏色表示不同星體推估出來的機率分佈,淺灰色是綜合統計結果、紅色是 K 型巨星 (K Giants)、藍色是藍水平分支星 (Blue Horizontal Branchs)、橘色是衛星星系 (Satellites)。黑白背景是 Pan-STARRS DR1 和 Gaia DR2 的RR天琴變星的密度分佈圖。LMC是大麥哲倫星系,周圍兩個質量較小的衛星星系分別是:小麥哲倫星系 (SMC) 和人馬座矮星系 (Sgr) ,白色虛線表示大麥哲倫星系過去的運動軌跡。圖/Detection of the Milky Way reflex motion due to the Large Magellanic Cloud infall

綜合分析三類不同來源恆星的觀測資料後,Petersen 等人發現目前銀河盤面正以相對於外圍銀暈(離銀河中心 13-39 萬光年範圍)約每秒 32 公里的速度,朝向大麥哲倫星系早期通過銀河系的軌跡方向移動,而不是朝向大麥哲倫星系當前的位置移動,如圖 2 的模擬圖以及圖 3 觀測資料的結果所示。這樣的現象主要是因為大麥哲倫星系移動的速度太快,使得銀河盤面在重力牽引導致的位移上發生延遲,這個觀測結果與數值模擬銀河系與大麥哲倫星系的交互運動模型一致。

Petersen等人透過六項恆星參數的測量,包含有距離 (heliocentric distances)、銀河座標 (Galactocentric coordinates)、自行運動 (proper motion) 與視向速度 (line-of-sight velocities),估算出銀暈上恆星的反應運動;這個觀測結果說明了在模擬銀河系的動態模型時,大麥哲倫星系接近銀河系時所帶來的重力擾動是不可忽略的。此外,在觀測銀暈上的恆星時所使用的參考座標系,也必須針對銀河盤面產生的反應運動進行校正。

研究人員更進一步地利用貝氏擬合 (Bayesian-fitting) 的技術(註:將模型參數看成隨機變量,利用馬可夫鍊蒙地卡羅法來估算出模型參數的一種統計解法)來測試目前銀河系與大麥哲倫星系的數值模型,發現從銀河系現有的反應運動所對應到的是一個較大質量的大麥哲倫星系,這個結果暗示著大麥哲倫星系在接近時可能伴隨著帶有暗物質的星系暈。他們認為未來光譜觀測的巡天計畫與 Gaia 資料的公開,將有助於更精確的模擬大麥哲倫星系通過銀河系時的軌跡,甚至有機會進一步了解暗物質在銀河系與大麥哲倫星系中的分佈與結構。

更加精準的測量數據 揭開星系間的奧秘

這項研究結果也指出,我們不能單純的將銀河系當是做一個動態平衡系統。觀測者需要校正重力擾動對盤面質心位移所產生的非慣性效應;儘管我們目前已針對太陽的反應運動進行校正,但銀河盤面與其他星系的動力學研究,如大麥哲倫星系造成銀河系的反應運動,仍不可忽略。

總和來說,這份研究探討了位於銀暈外圍(半徑大於 13 萬光年)的恆星運動因銀河盤面位移而產生反應運動,位於較小半徑內,反應運動的程度幾乎可以忽略。此外,這份研究也指出,受到銀河系和大麥哲倫星系相互重力牽引的影響,這兩星系間的系統位能也隨著時間變化,若我們能更了解這部分動態的能量轉移,許多問題將有望被一一解開,例如大麥哲倫星系的接近軌跡與暗物質如何影響其路徑?大麥哲倫會在接近銀河系時因潮汐力而流失其暗物質嗎?這些暗物質又會往何處去呢?

隨著近期 Gaia 資料的公開,在自行運動上有更大範圍且準確的測量,綜合一些大型望遠鏡的光譜巡天計畫,例如 LAMOST、4MOST 及 VLT-MOONS,銀暈上恆星的視向速度測量資料將會更加準確,也有助於我們了解大麥哲倫星系接近銀河系的軌跡與其潮汐碎片 (tidal debries) 的位置。於此,在接下來的幾十年中,我們將有機會一揭銀河系與星系周圍動態運動的神秘面紗。

大小麥哲倫星系。圖/林建爭

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