银盘“时光动画”方法揭示银河系暗物质晕形状

北京时间6月27日,国际科学期刊《自然·天文》在线发表了中国科学院大学、北京大学、中国科学院国家天文台和上海交通大学联合主导的合作研究论文“A slightly oblate dark matter halo revealed by a retrograde precessing Galactic disk warp”。该国际团队首创“时光动画”(motion picture)方法,利用不同年龄的造父变星样本直接“看清”银盘翘曲的进动方向和速率,并以此限制了当前银河系的暗物质晕形状为轻微扁球形。

在近邻宇宙中,近1/3的盘状星系都非一个完美的圆盘,而是表现出像薯片一样的弯曲状态,天文学家称之为翘曲。银河系作为一个典型的盘状星系,也不例外地表现出翘曲特征。这样一个倾斜转动的银盘,其实就像一个旋转的陀螺,必然会因为包裹它的暗物质晕施加的力矩产生进动。然而,翘曲进动这一重要动力学参数无论是方向和速率的测量都存在巨大的争论,原因是此前的测量都是依赖运动学的间接方法,其使用的示踪天体会因动力学扰动或加热效应导致其测量精度和准度都非常有限。

这项研究利用Gaia发现的2600颗经典造父变星作为示踪天体,并结合LAMOST数据精确测量了这2600颗经典造父变星的距离和年龄,首创了“时光动画”方法,精确描绘了不同年龄层次的银盘三维结构。通过动画“放映”方式,该研究清晰地揭示了银盘翘曲的演化过程,发现翘曲沿着逆太阳旋转方向以2km/s/kpc(即每百万年0.12度)的速率进动。进一步的精细测量显示,进动速率随径向距离减小,表明当前包裹翘曲的银河系暗物质晕呈现出轻微的扁球形(q值在0.84到0.96之间)。该测量结果为研究银河系暗物质晕的演化提供了重要锚点。

该研究得到了两位审稿人的高度评价,他们一致认为:“‘时光动画’是一项新颖而深具说服力的方法,并首次精确测定出进动的方向和速率。”

中国科学院大学黄样副教授是该论文的共同第一作者和通讯作者。北京大学研究生冯齐康是该论文的共同第一作者,北京大学张华伟研究员、中国科学院国家天文台刘继峰研究员和上海交通大学沈俊太教授为该论文的共同通讯作者。此项研究的合作者还包括来自中国科学院国家天文台、北京师范大学和美国圣母大学多家机构的天文学家。

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上海交通大学设计学院侯开元、董占勋制作的艺术想象图:银盘翘曲在暗物质晕的力矩下“翩翩起舞”(进动)

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