銀河系中彌散的中性氫原子（HI）是孕育恒星形成區(qū)的子宮，也是大質(zhì)量恒星在其生命周期中所注入的大部分能量的介質(zhì)。因此,對中性氫原子的分布和動力學(xué)的研究,對于理解星際介質(zhì)中能量和物質(zhì)循環(huán)至關(guān)重要。

近日，來自歐洲一隊天文學(xué)家(J. D. Soler等人)利用德國Effelsberg 100米和澳大利亞Parkes 64米射電望遠鏡，對銀河系銀盤附近中性氫原子的21厘米發(fā)射線進行了觀測。從獲得的射電數(shù)據(jù)中，研究者們利用Hessian矩陣分析技術(shù)挑選出一系列的纖維狀結(jié)構(gòu)，用Rayleigh統(tǒng)計檢驗的方法分析其空間指向，并給出了這些“銀河血管”的三維影像學(xué)分析。

相關(guān)論文以《氫原子發(fā)射的纖維狀結(jié)構(gòu)揭示的銀河動力學(xué)》(“The Galactic dynamics revealed by the filamentary structure in atomic hydrogen emission”)為題，發(fā)表在最新一期著名天文學(xué)期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》(Astronomy & Astrophysics)上。

在研究中，天文學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)，銀河系中性氫原子的纖維狀結(jié)構(gòu)相對銀河系銀盤的指向，會隨著其與銀河中心距離的變化而逐漸變化。在銀盤中心，大部分中性氫原子纖維狀結(jié)構(gòu)垂直于銀盤，或是沒有明顯的指向偏好;而銀盤外側(cè)10—18 kpc(kpc，千秒差距，天文學(xué)上量度距離的一種單位，等于一千個秒差距或是3261.56377716743353658491光年)的區(qū)域內(nèi)，中性氫原子纖維狀結(jié)構(gòu)則與銀盤平行;在銀盤外側(cè)，纖維狀結(jié)構(gòu)的分布還隨著銀盤的翹曲等結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并可能反映出銀河系和其附近衛(wèi)星星系相互作用的影響。

研究者們推測，在銀河系中心，中性氫原子垂直提升可能是受到歷史上超新星反復(fù)爆發(fā)活動產(chǎn)生的能量的影響;而在銀河系外圍，中性氫原子纖維結(jié)構(gòu)的水平分布很可能是銀河系旋轉(zhuǎn)和剪切的結(jié)果。

這些觀測結(jié)果也表明銀河系的原子氣體分布與附近的漩渦星系類似，此前科學(xué)家們在銀河系附近的漩渦星系內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了可能由超新星風(fēng)產(chǎn)生的洞，而在外部則主要是旋臂和湍流。

中性氫掃天勾勒銀河系輪廓

氫是宇宙中含量最多的元素，幾乎無處不在。而在單個星系內(nèi)，氫的存在形態(tài)可以是電離氫（HII），中性氫原子（HI）以及氫分子。通常而言，中性氫原子主要集中在晚型星系的盤面內(nèi)，這些區(qū)域本身密度不太高，不足以坍縮形成恒星，但它們卻充當(dāng)著新一代恒星形成的原料庫，在恒星生命循環(huán)中扮演著重要的角色。

從上世紀(jì)50年代，科學(xué)家們開始用21厘米的無線電波對宇宙中的中性氫進行觀測。這是由于中性氫原子在沒有吸收光子的情況下，自身也會產(chǎn)生輻射。當(dāng)處于基態(tài)的中性氫原子的電子自旋和核自旋相互作用，電子自旋會從與核自旋平行的高能態(tài)躍遷到與核自旋反平行的低能態(tài)，發(fā)出波長為21厘米、頻率為1420.4057517667 MHz的射電譜線。

利用這條譜線，天文學(xué)家可以推斷宇宙中中性氫原子的分布。在觀測中，這段無線電波也不會被星際塵埃吸收，而正是因為這種塵埃的吸收機制的阻礙，使得光學(xué)的觀測方法在超過幾千秒差距的距離上幾乎無效。

1954年—1958年期間, 天文學(xué)家利用中性氫射電的多普勒頻移與銀河系旋轉(zhuǎn)曲線構(gòu)建了銀河系外圍的正面圖像。2005年, 天文學(xué)家通過分辨率為36角分的LAB(萊頓-阿根廷-波恩)射電望遠鏡進行了第一次全天空中性氫觀測發(fā)現(xiàn)，銀河系是一個由四條旋臂組成的非軸向螺旋系統(tǒng)，其臂長從銀河系中心來測算至少25kpc。

對中性氫射電的進一步研究也確定了銀河系其它旋臂的結(jié)構(gòu)。2011年，同樣是利用LAB射電望遠鏡觀測，天文學(xué)家在距離銀河系中心約15 kpc處的銀河第一象限處,發(fā)現(xiàn)了一個假設(shè)的旋臂結(jié)構(gòu)，它位于銀河系四大旋臂之一的外臂(Outer Arm)以外。2005年，天文學(xué)家使用分辨率為2角分的SGPS干涉望遠鏡對中性氫射電進行觀測,在銀河系的第四象限中確定了可能的遙遠旋臂。

除了旋臂結(jié)構(gòu),天文學(xué)家還利用中性氫原子的射電解釋了銀河系盤面的翹曲、耀斑，并追蹤到了銀河系中主序星、超新星和其它高能量過程的能量輸入印記。

中性氫纖維狀結(jié)構(gòu)繪制銀河系“血管”

從上世紀(jì)70年代起，天文學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了銀河系中性氫原子分布的各種結(jié)構(gòu)。1973年,天文學(xué)家第一次對銀河系銀盤的中性氫射電成像，展現(xiàn)了一系列殼狀、弧狀和纖維狀結(jié)構(gòu)。其中，中性氫的殼狀結(jié)構(gòu)被認(rèn)為可能是由星系內(nèi)部的恒星風(fēng)和塵埃共同作用形成。

天文學(xué)家們也特別注意到了那些垂直于銀盤的纖維狀結(jié)構(gòu)，稱它們“就像從銀盤中爬出來的蟲子” ?；诜直媛蕿?角分和30角分的單碟望遠鏡觀測數(shù)據(jù),天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些纖維狀結(jié)構(gòu)具有沿著局部星際介質(zhì)磁場分布的優(yōu)先指向。這種排列可能是磁場導(dǎo)致的速度各向異性，沿磁場線的物質(zhì)坍塌，激波或氣體密度分布不均的產(chǎn)物。

2020年，天文學(xué)家Soler等人在Hi/OH/重組線(THOR)調(diào)查中,通過對基于40′′分辨率的中性氫干涉觀測的分析，揭示了中性氫射電中的大多數(shù)纖維狀結(jié)構(gòu)與銀河銀盤面平行，但銀河系第一象限中一部分由垂直的中性氫纖維結(jié)構(gòu)主導(dǎo)，這種情況的出現(xiàn)，最有可能是歷史上超新星的反復(fù)爆發(fā)的反饋和星際磁場的綜合效應(yīng)造成。

在這次最新的中性氫纖維結(jié)構(gòu)研究中, 研究者將Soler等人(2020)的分析擴展到整個銀河系銀盤，在銀河系的經(jīng)度和緯度上進行擴展。文章作者也解釋，他們的研究目的不是將中性氫的這些纖維狀結(jié)構(gòu)定義為三維空間中的物體，例如旋臂或細(xì)氣體鏈,而是為了研究銀河系銀盤中原子氣體分布的一般各向異性。

文章指出,纖維狀結(jié)構(gòu)指向是中性氫射電的一個特征，與纖維狀結(jié)構(gòu)的寬度和長度等其它特性相比，它對角分辨率的依賴沒有那么明顯。如果把纖維狀結(jié)構(gòu)理解為星系強度場的特征，而不是物理對象，則這種分析可以表現(xiàn)射電分布的各向異性。考慮到銀河銀盤的自然對稱軸，這一特征尤其與之相關(guān)。星系的引力勢、以及由圓周運動和旋臂引起的拉伸自然會產(chǎn)生水平分布的中性氫纖維結(jié)構(gòu)。偏離這種自然情況的各向異性可能表明銀盤中氣體上升或下降的能量過程。

跟Soler團隊在2020年的研究一樣，此次研究者們也采用Hessian矩陣技術(shù)對纖維狀結(jié)構(gòu)進行選擇編碼，并用Rayleigh技術(shù)進行統(tǒng)計檢驗。

具體而言，研究者通過假定圍繞銀河系中心的圓周運動以及一個標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)曲線,分析了中性氫原子在銀河系銀盤中的分布。首先，他們關(guān)注了日心半徑的纖維狀結(jié)構(gòu)的指向，以研究角分辨率和距離的綜合效應(yīng)，其次，他們比較了在不同日心運動距離下纖維狀結(jié)構(gòu)的指向，最后研究者分析了隨著銀河中心半徑的變化，并得到了中性氫原子在銀河系銀盤平面空間指向的正面視圖。

圖一：銀河系銀盤經(jīng)度-視線速度圖：作者用不同的線標(biāo)明出了銀河系主要的旋臂結(jié)構(gòu)。左圖的顏色代表中性氫原子的輻射強度，而眾多纖維結(jié)構(gòu)就暗藏其中。右圖則展示了利用Rayleigh統(tǒng)計給出的不同纖維結(jié)構(gòu)的指向。

圖二：研究者利用可視化技術(shù)把確定的纖維結(jié)構(gòu)從背景輻射中凸顯出來，并選取三個速度通道做成了一張帶3D效果的彩色圖。如同一頭巨獸體內(nèi)的血管網(wǎng)絡(luò)。

 有業(yè)內(nèi)人士評論稱，這些纖細(xì)的“血管”的分布和指向講述的是銀河系過去的漫長歷史里，恒星死亡后的能量是在哪里、被以何種方式返還給星際介質(zhì)的故事。其中還可能包含著向著銀盤的氣體吸積、星際介質(zhì)內(nèi)宇宙線引起的能量擴散、以及大規(guī)模超新星爆發(fā)產(chǎn)生的“銀河噴泉”事件的重要信息。

除此之外,研究者們還在論文中推測，在銀河系中心半徑Rgal ≈ 15 kpc的范圍內(nèi),中性氫原子在纖維狀結(jié)構(gòu)中的含量大致是恒等的，這個觀察結(jié)果可能與中性氫氣體的冷熱相的質(zhì)量比有關(guān)。但最終證明這一假設(shè)需要進一步對中性氫原子的相位進行表證。

“中性氫原子仍然攜帶著驅(qū)動擴散的氣體原子凝聚成新恒星的動力學(xué)的關(guān)鍵信息?！毖芯空邆兎Q。