克日，中国科学院上海天文台与上海交通大学相助，在仙女座星系（M31）结构研究方面取得告急盼望。该研究提出了在星际气体观测数据中征采激波的新思绪，从而给出M31星系是一个棒旋星系而非平凡旋涡星系的独立证据，并使用流体动力学模拟重现了气体中激波的重要观测特性。相干研究效果发表在《天体物理期刊》（The Astrophysical Journal）上。该效果于7月25日被美国天文学会（AAS）Nova网站选为研究亮点，以《仙女座星系中的棒》（A Bar in the Andromeda Galaxy）为题在网站头条报道。
旋涡星系分为正常旋涡星系与棒旋星系。棒旋星系中央的棒是由恒星构成的长条形结构，是驱动旋涡星系内部恒久缓变演化的告急内因。M31是间隔我们近来的旋涡星系。恒久以来，天文学家试图确定M31的星系形态，从而给出它在著名的哈勃星系分类图中的位置。而M31相对于我们的视线方向险些是一个侧向星系，因此较难直接从星系图像上确定其内部的结构特性。此前，天文学家根据恒星等亮度线的扭曲提出M31大概包罗一个星系棒，但这一征象不肯定只能由棒产生，也可以由一个不转的椭球状核球产生。气体观测数据也暗示M31大概有棒存在，如显着的气体非圆周活动、扭曲的零速率线等。然而，其他机制比方与另一个星系的并合过程也会导致类似的特性。作为一个具有显着经典核球因素的星系，对于M31是否是一个棒旋星系存在争议，而确定M31的内部结构将为天文学家更好地阐释我们的近邻星系的结构演化提供资助。
为办理这一标题，科研团队提出了在星际气体观测数据中征采激波的新思绪，从而给出了M31星系是一个棒旋星系而非平凡旋涡星系的独立证据，并使用流体动力学模拟重现了气体中激波的重要观测特性。
当旋涡星系的棒驱动星际介质内流时，会引发激波。这种激波会产生棒旋星系最显着的特性之一——在棒前导侧（leading side）会形成一对灰尘带，其标准与棒长相仿。上海交通大学教授沈俊太体现，激波会在位置-视向速率图（position-velocity diagram）上显现出急剧的速率跳变特性。而这种剧烈的速率跳变特性可以或许被积分视场光谱仪（integral field unit，IFU）捕捉并分辨。假如这些激波特性符合棒旋星系激波的规律，那么就能明确证明M31星系中存在棒。
基于这一思绪，科研团队使用最新的积分视场光谱仪VIRUS-W对M31中电离氧气体发射线[OIII]的观测数据，并团结中性氢原子气体（HI）的数据，提取了垂直于星系盘主轴方向差别切片内的位置-视向速率图，终极通过边沿检测算法辨认出M31星系[OIII]和HI数据中的激波特性（图1）。研究发现，这些激波特性较为规律地分布在千秒差距（kpc）量级的标准上（图2）。现在，最新的恒星动力学模子以为M31星系的棒主轴角度与盘主轴相差约17度。假如如许的假设创建，那么激波特性简直重要分布在棒的前导侧，这与棒旋星系的理论预期划一。“我们发现这些激波特性重要分布在M31的核球地区，其速率跳变最强可凌驾170千米/秒，速率梯度可达1.2千米/秒/秒差距。”上海天文台博士研究生冯子轩体现，“我们面对的标题是，基于旋转星系棒势场的流体数值模拟能否重现如许急剧的激波特性。”研究团结最新的恒星动力学模子，模拟了差别棒转速、气体有效声速和观测视角下的气体活动，终极得到了与观测效果根本划一的模子（图3）。模子中的激波位置和速率跳变特性与观测中的根本划一，该模子棒的转速为20千米/秒/千秒差距，气体有效声速为30千米/秒。棒主轴的方位角和睦体盘倾角分别为54.7度和77度。研究还测试了用无旋转的棒来类比椭球状核球结构，并发现无旋转的棒无法产生激波，也不会有显着的速率跳变特性。这些发现都进一步表明M31拥有一个旋转的中央棒，而非一个静态的椭球状核球。
本次研究给出了M31星系有棒结构的明确的观测证据，有助于显现M31结构形成及动力学演化汗青，而确定了M31的棒结构将为天文学家更好地阐释我们的近邻星系的结构演化提供资助。科研职员将在后续研究中将观测到的气体特性与更多气体动力学模拟举行具体比力，以期更好地分析M31中央的气体特性以及明确M31棒的重要参数。
研究工作得到国家自然科学基金、科技部、上海交通大学等的支持。本工作的数值模拟使用上海天文台Cluster集群和上海交通大学天文系Gravity集群。德国马克斯·普朗克科学促进会地外物理研究所Ortwin Gerhard团组到场研究。
图1.M31星系在阔别我们一侧的[OIII]的激波特性。波长为500纳米左右的二次电离氧[OIII]双发射线是可见光谱中的禁线，只大概在非常低密度的宇宙情况下出现，是VIRUS-W光谱仪波长范围内的最重要发射线之一。数据点代表[OIII]的观测数据，颜色代表流量密度。每一个子图对应一个垂直于盘主轴的切片。X代表切片在盘主轴上的位置。玄色曲线代表数据点被平滑后的效果。赤色粗线，细线和虚线分别代表最强的，较强的和较弱的激波特性。大多数激波特性分布在星系的远端（在盘主轴下方）。
图2.[OIII]和HI激波特性在M31星系内的空间分布。配景光学图像泉源于哈勃太空望远镜、Subaru望远镜、Mayall望远镜。赤色圆圈和蓝色三角形分别代表[OIII]和HI中的激波位置。实心，空心和虚框体现的标志分别代表最强的，较强的和较弱的激波特性。虚线代表最新动力学模子中的棒主轴方向。
图3.M31星系的气体动力学模子。左侧展示了M31模子投影至天空平面后（左上角）和投影前（左下角）的气面子密度分布。此中粉色圆圈和紫色三角形分别代表[OIII]和HI数据中的激波位置。右侧展示了差别切片对应的位置-视向速率图，玄色数据点代表模子中气体的速率分布，赤色和蓝色数据点分别代表[OIII]和HI的观测数据。右下角为右上角图片在激波处的放大版本，虚线代表无旋转的棒模子。
泉源：中国科学院上海天文台 |
