银河系有一个标志性结构——旋臂，由大量年轻的恒星、浓密的气体和尘埃组成，是恒星形成的“摇篮”。
中国科学院紫金山天文台研究团队，基于“银河画卷”一氧化碳分子气体巡天数据，更新了外银河系旋臂图像，拓展了人们对银河系的认知。新图像覆盖了银盘面上约2/3方位角、银心距约8-26千秒差距范围内的分子气体旋臂结构，较以往同类观测扩大了约1.5倍。
01
旋臂壮美难“测”
借助河外旋涡星系的观测，天文学家可以清晰地看到，旋臂在不同波段的图像中展现出的结构并不完全相同。这种差异印证了一个重要理论——密度波理论。
密度波理论，即旋臂并不是固态的“物理结构”，而是恒星和气体在星系盘面中形成的动态“高密度区域”，组成旋臂的恒星和星际介质并非始终处于旋臂中，而是不断变化。
▲恒星（彩色背景），原子气体（彩色背景）和分子气体（绿色等值线）示踪的河外旋涡星系M51盘结构（Vlahakis et al. 2013）
旋臂不仅是银河系的“形象代表”，更是其“心脏”所在，它们深刻影响着星际介质和恒星的物质循环。 然而，观测银河系的旋臂并非易事。
人类仅能从内部“窥探”银河系盘面的结构，无法俯瞰全貌。基于此，实现银河系旋臂的观测需要两大条件：
一是“广”覆盖——需要大规模、高效率的巡天观测和长时间的数据积累。
二是“深”探测——射电波段观测是目前已知可穿透尘埃，捕捉到更遥远区域的观测手段，但绘制完整的盘面图仍需要极高灵敏度的设备。
02
“银河画卷”
揭开银河系外圈的秘密
一直以来，在射电波段，示踪原子气体的氢（HI）和分子气体的一氧化碳（CO）是两种重要的观测“探针”。CO受湍动等因素影响较小，因而绘制出的旋臂图像比HI旋臂图像更加清晰。受限于以往CO巡天的灵敏度和分辨率，所揭示的银盘范围还远未到银盘边缘。
为了更清晰全面了解银河系分子气体分布，中国科学院紫金山天文台的科学家们利用德令哈13.7米毫米波望远镜，实施了CO巡天项目——“银河画卷”计划。“银河画卷”计划自2011年至今已累积覆盖了2000多平方度的银盘区域。
根据观测，科学家重新绘制了银河系太阳半径以外的分子气体分布图，揭示了外太阳圈的三段旋臂结构。这些旋臂的长度从16到43千秒差距不等，最远延伸至HI盘的边缘地带。
▲左：CO巡天观测的外太阳圈分子气体表面密度投影俯视图；右：CO与其他示踪天体得到的旋臂结构模型比较
其中，距离较近的英仙臂和外臂结构尤为清晰，观测图像清晰展现了旋臂与旋臂间物质密度分布的显著差异，并呈现准连续分布的特征。在银河系盘的边缘，约1306个分子云很好地描绘了最遥远的旋臂结构，即外盾牌——半人马臂，这些分子云连接了近年发现的第一象限新旋臂段与第二象限新旋臂段，并可能将这一遥远的旋臂延伸至更遥远的第三象限。 相关研究成果发表在《天体物理学快报》（Astrophysical Journal Letters）上。
▲银盘边缘的1306个分子云叠加在银河系结构遐想图（背景图credit：Xing-Wu Zheng & Mark Reid BeSSeL/NJU/CfA）
03
更多未解之谜待解
尽管新CO巡天数据为银河系分子气体分布提供了一幅径向方向覆盖范围更广、细节更清晰的鸟瞰图，并拓展了我们对银河系旋臂结构的认识，但银河系旋臂的研究仍有许多未解之谜。
从尘埃与气体中孕育出恒星，再到恒星的能量回馈形成新结构，这种循环正是宇宙最迷人的景象之一。未来，期待科学家们揭示更多关于银河系的秘密，将这幅“银河画卷”绘制得更加完整和精彩！
文章链接：
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad9605
来源：中国科学院紫金山天文台
责任编辑：曹旸
