为什么银河系有旋臂？新的盖亚数据正在帮助解决这个难题

　　来自测星盖亚卫星的新数据正在帮助科学家解开银河系旋臂的神秘面纱。最近发表的研究探索早期数据发布3（EDR3），一批观测的科学界提供去年十二月，揭示我们银河系的螺旋结构具有更高的精度和细节比以前是可能的。

　　自 1950 年代以来，天文学家就知道我们的银河系看起来像一个螺旋形，有几股密集的恒星和尘埃流从银河系中心发出，蜿蜒穿过银河系圆盘并在其边缘溶解。然而，科学家们一直在努力了解这些流有多少以及是什么创造了它们。

　　德国海德堡马克斯普朗克天文学研究所的科学家埃莱奥诺拉·扎里 （Eleonora Zari）、新论文，告诉 Space.com。“这就像在森林里环顾四周。有时，树木在彼此面前。加上森林有点雾，所以你真的看不到整片森林的样子。”

　　自 2014 年以来，欧洲航天局（ESA） 的盖亚任务一直在绘制银河系地图，测量近 20 亿颗恒星的精确位置和距地球的距离。航天器获得的前两批数据分别于 2016 年和 2018 年向科学界发布，彻底改变了我们银河系的研究。除了固定位置外，航天器还测量恒星在三维空间中移动的速度，让天文学家能够模拟银河系过去和未来的演化。

　　最新发布的数据 EDR3 提高了之前数据集的准确性。正是这种精度使天文学家能够以更高的精度将旋臂与星系盘中的其他恒星分开。

　　“我们从称为视差的度量中推导出恒星的距离。”扎里说。“而且最新版本的视差测量值提高了 20％。这意味着以前我们可能认为属于同一结构的恒星现在显然属于不同的结构。”

　　视差是当地球围绕太阳旋转时，一颗恒星在更远的恒星背景下的明显运动。通过从行星轨道上两个相对点测量恒星和地球之间角度的变化，天文学家可以使用简单的三角学计算恒星的距离。

　　在一篇新论文中，扎里和她的同事研究了银河系圆盘中炽热明亮的蓝色恒星（称为 OBA 型恒星）的浓度。在他们可以看到这些恒星浓度高于平均水平的区域，他们可以假设存在螺旋臂。然后，他们将他们的分析与先前开发的星系模型进行了比较。

　　“旋臂的位置不同，旋臂的强度，它们的亮度，也不同。”扎里说。

　　众所周知，银河系有两个主要的旋臂，英仙座旋臂和盾牌-半人马座旋臂。我们的银河系也有两个不太明显的臂或马刺，称为人马座和本地臂（靠近太阳经过）。

　　但在扎里的研究中，手臂之间的差异似乎并不那么明显。

　　“Perseus 臂似乎不那么明亮，而 Local 臂更突出。”她说。“另外两条手臂——人马座和半人马座盾牌——至少在我的书房里，它们的亮度似乎差不多。”

　　Zari 的同事 Eloisa Poggio观察了 600,000 颗年轻恒星的浓度，以确定旋臂的精确位置。Poggio 解释说，在研究旋臂时，年轻的恒星特别有价值，因为据信，大多数恒星都在旋臂上形成，其中的尘埃和气体浓度很高。

　　“我们计算了圆盘中的每个位置，该区域相对于平均值的人口是多是少。”波吉奥告诉 Space.com。“使用这种方法，我们能够构建出盖亚所绘制区域的旋臂图，即绕太阳约 16,000 光年。”

　　当研究人员将他们的星系图与之前的模型进行比较时，他们发现两个主要臂之一的英仙臂距离研究区域的星系中心更远。短的 Local 臂看起来比以前的模型预期的要长得多。

　　旋臂是怎么形成的？

　　天文学家还在猜测这些武器的起源及其寿命。一些较早的理论提出，臂的形状以某种方式固定并在很长一段时间内围绕银河系中心旋转，而个别恒星以自己的速度运行，进出这种形状。

　　然而，这种所谓的密度波理论受到盖亚任务的最新发现的质疑。许多科学家现在认为旋臂可能根本不是固定的。相反，它们可能会由于银河盘的旋转而暂时形成，然后溶解并以不同的配置再次重组。

　　为了找出哪个理论是正确的，荷兰莱顿大学的阿尔弗雷德·卡斯特罗 （Alfred Castro） 研究了所谓的疏散星团，即由同一团气体和尘埃组成的数千颗年轻恒星组成的群。由于年龄很小，这些恒星仍然靠近它们的出生地，即旋臂内。卡斯特罗推测，如果较新的理论是正确的，那么旋臂中较年轻的疏散星团的数量将高于较老的疏散星团的数量。而这正是数据所显示的。

　　“我在数据中看到，螺旋结构似乎包含年轻的恒星群，但如果你看看年长的恒星，就会消失。”卡斯特罗告诉 Space.com。“我们看到形状的自转率或多或少与恒星的自转率相似，并且随着到银河中心的半径而变化。形状和恒星无法解耦，这意味着我们不有一个整体的形状，这将是旋臂，然后恒星像密度波理论所暗示的那样进出它们。”

　　根据卡斯特罗的分析，旋臂可能存在大约 80 到 1 亿年，这是我们银河系 130 亿年生命中的一小部分。

　　是什么让银河系有了旋臂？

　　Poggio 希望，在未来，科学家们或许能够找出银河系中那些旋臂最初存在的原因。虽然一些理论认为这种恒星流漩涡可能是一个又一个较小的星系撞击银河系产生的，但其他理论认为它是由于银河盘的旋转而自然存在的。

　　“如果旋臂是由外部撞击引起的，我们预计我们会在恒星运动中看到不同的特征。”Poggio 说。“未来的盖亚数据发布将为我们提供更多关于星系盘更大部分恒星运动的信息，我们希望我们能够在那里找到一些东西。”

　　下一批盖亚数据，即完整的数据发布 3，预计将在 2022 年年中左右向全球科学家提供。