化学制图揭示了银河系的旋臂

　　上图:LAMOST中热OBAF星样本的X-Y空间位置的二维密度图。作为参考，太阳的位置用橙色的星星表示。Reid等人(2014)在星系中旋臂的大致位置显示为粗黑线，其延伸由粗虚线标记。颜色编码代表log(N)中恒星的数量密度。下图:全样本R-Z空间位置的二维密度图。颜色编码代表log(N)中恒星的数量密度。信用:arXiv (2022)。DOI: 10.48550/arxiv.2207.04542

　　据德克萨斯大学麦克唐纳天文台：奥斯汀德克萨斯大学天文学助理教授基思·霍金斯(Keith Hawkins)使用化学制图法——也称为化学制图——来识别银河系旋臂中以前未被发现的区域。他的研究发表在《皇家天文学会月报》上，展示了这一开创性技术在理解我们银河系的形状、结构和演化方面的价值。

　　银河系的化学地图显示了元素周期表中的元素是如何在银河系中分布的。它们使天文学家能够根据天体的化学成分而不是它们发出的光来确定天体的位置。虽然化学制图的想法已经存在了一段时间，但天文学家直到最近才能够从这项技术中获得重要的结果。这要归功于日益强大的望远镜的出现。

　　霍金斯说:“就像早期的探险家们创造了越来越好的世界地图一样，我们现在正在创造越来越好的银河系地图。”“这些地图揭示了我们认为是真实的事情，但仍需要核实。”

　　自20世纪50年代以来，我们就知道银河系是一个螺旋星系。然而，它的确切形式、结构，甚至它的臂数一直是正在调查的问题。这是因为我们生活在我们的银河系内，无法旅行到足够远的地方，从一个局外人的角度来看它。“这就像在一个大城市，”霍金斯解释道。“你可以环顾四周的建筑，你可以看到你所在的街道，但很难知道整个城市是什么样子，除非你坐在飞机上飞过。”

　　我们对银河系的有限视野并没有阻止天文学家们创建信息丰富的模型；或者艺术家画出美丽的插图。“但是，”霍金斯说，“我想知道那些模型和插图实际上有多准确。看看化学制图是否能揭示银河系旋臂的更清晰的图像。”

　　绘制银河系地图

　　绘制银河系地图的一个传统方法是识别年轻恒星的密度。随着银河系旋转，其旋臂中的尘埃和气体压缩，促使新恒星诞生。所以，哪里有大量的年轻恒星，哪里就有一条臂。

　　天文学家可以通过探测年轻恒星发出的光来定位它们。但是有时尘埃云会遮住恒星，使得即使是最好的望远镜也很难观察到它们的光。因此，银河系的一些区域还没有被发现。

　　化学制图帮助天文学家填补了缺失的部分。

　　它依靠一个叫做“金属度”的天文概念来做到这一点金属丰度是指恒星表面金属与氢的比率。在天文学中，周期表中除了氢和氦以外的任何元素都被称为“金属”年轻的恒星比年老的恒星拥有更多的金属，因此有更高的金属性。这是因为它们形成于我们宇宙历史的后期，那时有更多的金属存在。

　　大爆炸后，仅存的元素是氢、氦和少量金属。在它们的内核中，第一代恒星将氢和氦融合成越来越复杂的金属(也就是元素周期表上越来越重的元素)，直到最后死亡或爆炸。但是从混乱中诞生了生命。这些爆炸将金属喷射到周围环境中，在那里它们被用作下一代恒星的构建材料。

　　随着恒星诞生和毁灭的循环重复，每一代恒星都比前一代富含更复杂的金属，使其金属含量越来越高。理论上，包含大量年轻恒星的银河系旋臂应该比它们之间的区域具有更高的金属含量。

　　比较地图

　　为了绘制地图，霍金斯确定了银河系中金属丰度的分布。他专注于我们太阳周围存在这些数据的区域——一个长达32，600光年的视图。富含金属的物体丰富的区域预计会与旋臂排成一行，而富含金属的物体稀缺的区域会与旋臂之间的空间排成一行。

　　当他将自己的地图与银河系同一区域的其他地图进行比较时，旋臂彼此排成一行。更重要的是，因为霍金斯的地图是根据金属含量而不是年轻恒星发出的光来识别旋臂的，所以出现了以前未知的新区域。

　　霍金斯说:“一个重要的发现是旋臂确实富含金属。这说明了化学制图在确定银河系的结构和形成中的价值。它有可能彻底改变我们对银河系的看法。”

　　盖亚太空望远镜革新了对我们星系的研究

　　随着我们的望远镜变得越来越强大，化学制图的前景也越来越好。

　　在他的研究中，霍金斯分析了来自大天空区域多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)和盖亚太空望远镜的数据。来自盖亚的新数据(数据发布3)特别有见地。这是因为盖亚提供了迄今为止最精确和全面的银河系调查，包括其化学成分。

　　自2013年启动以来，盖亚已经监测了大约20亿个物体。天文学家现在能够将他们的研究范围从数千个物体扩大到数十亿个，并覆盖银河系更大的区域。

　　霍金斯说:“盖亚提供的大量数据使我们现在能够在银河系范围内进行化学制图。”。"直到最近，数十亿颗恒星的位置及其化学组成的数据才被获得。"

　　到目前为止，盖亚已经提供了迄今为止银河系最大区域的化学数据。然而，这仍然只占银河系的百分之一。随着盖亚继续观测天空，随着新的望远镜上线，天文学家可以越来越多地使用化学制图来了解我们银河系的基本属性。反过来，这些经验可以应用于其他星系和整个宇宙。正如霍金斯解释的那样，“这是一个全新的时代。”