仙女座星系揭秘


    近日,国际合作项目"The HARP and SCUBA-2 High Resolution Terahertz Andromeda Galaxy Survey (简称HASHTAG)取得最新进展,获得了第一张亚毫米波段仙女座星系的完整、详细的图像。该成果有助于对星系中的恒星形成以及星际介质的性质进行前所未有的精细研究。南京大学、厦门大学等单位参与了该项目并担任共同负责人。


    仙女座星系 (M31)是我们银河系最近的邻居,在晴朗的夜晚,条件合适的时候,用肉眼就能看见。它不仅是一个可供我们观赏的美丽天体,还为希望了解我们母星系的科学家们提供了一个很好的机会。


    身处银河系的一条旋臂内,我们很难研究银河系自身,这就使得仙女座星系变得非常重要,因为它距离非常近,所以我们可以从外面非常详细地研究它。天文学家在很长一段时间内都认为仙女座星系是银河系的双胞胎,它们在很多方面都非常相像,但是又有足够多的不同点,这使得对它们的研究可以提供星系演化不同阶段的重要启示。


    自从 1600 年代首次使用光学望远镜进行观测以来,仙女座星系一直是每个波段的每个主要天文台的目标。然而,天文学家一直难以在亚毫米波段获得仙女座的详细图片。 亚毫米波段位于远红外线和微波波段之间。 它是天文学家观测天体的一种相对较新的工具,因为地球大气中的水蒸气吸收了大部分辐射,严重影响了图像的结构。


    1980 年代后期,世界上第一个、同时也是最大的亚毫米波天文台建成于夏威夷的莫纳克亚山上,即詹姆斯克拉克麦克斯韦望远镜(JCMT)。 在海拔4千多米的干燥的山顶上,掩盖亚毫米波辐射的大气水气的影响被降到了最低。 同时,来自不受大气干扰影响的轨道空间天文台的数据也被用于创建仙女座亚毫米波段的详细图片。


    根据卡迪夫大学的 Matthew Smith 博士的说法,"在亚毫米波段从地面绘制仙女座星系的地图是一项巨大的挑战。 它很微弱,覆盖了很大的区域,需要我们收集超过 8 TB 的数据。 我们必须开发新方法来解决这些问题,以创建这张亚毫米图"。



    从图中我们可以看到,仙女座的光学图像和亚毫米图像之间的差异是惊人的。 在光学图像中,可以清楚地看到红色年老恒星聚集的核球以及布满了较为年轻的蓝星的星系盘。 亚毫米波图探测到的辐射来自于仙女座星系内的星际尘埃。 星系核心中显示的尘埃很少,但在外盘中可以看到壮观的尘埃环。


    这一研究结果使我们能够比较仙女座和银河系中恒星形成的速度。使用光学望远镜无法进行这种比较,因为这些新形成的恒星发出的可见光会被尘埃完全吸收。然而,尘埃颗粒吸收的能量在亚毫米波段重新辐射,天文学家可以用这些信息来估计在尘埃云内形成的恒星数量。南京大学团队成员李志远认为:"这是迄今为止最好的仙女座亚毫米级图像,揭示了其恒星形成盘的前所未有的细节"。


    恒星形成率并不是 HASHTAG 合作研究的唯一目标,同样重要的是研究尘埃本身。这些尘埃颗粒含有许多与构成地壳的元素相同的元素,如硅、碳、镁和氧。然而,之前对仙女座的小尺度亚毫米观测表明,尘埃颗粒的特性似乎随着它们离仙女座星系中心的距离而发生变化。


    造成这种情况的原因仍然是个谜,但是基于新的亚毫米图像所提供的精细细节,该团队计划测量仙女座内 40,000 个不同位置的尘埃特性,制作第一个星系中的星际尘埃图集,这在所有星系中都是史无前例的。有了这个新的地图集,团队将进一步探索星际尘埃特性的变化,并希望最终了解其原因。


    该项研究成果近日发表于国际知名期刊The Astrophysical Journal Supplement  (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/ac23d0 )。

    HASHTAG研究团队包括来自中国大陆及台湾地区、英国、韩国、日本、加拿大等国家和地区的近50位天文学家。其中英国卡迪夫大学的Matthew Smith博士是项目主持人,南京大学天文与空间科学学院李志远教授和厦门大学天文学系高煜教授是项目的共同负责人。厦门大学王俊峰教授、南京大学博士生李宗男等参与了论文合作。该研究工作得到了科技部重点研发计划和国家自然科学基金的支持。