银河系考古学中科学家关注的主要问题.docx

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银河系考古学中科学家关注的主要问题银河系结构研究，又叫银河系考古学或近场宇宙学，通过研究（大样本）恒星在三维位置、三维速度、化学丰度、年龄等多维空间内的分布，揭示银河系的物质分布、星族、结构、运动学性质、化学动力学演化，从而构建银河系的集成和演化历史，为标准宇宙学框架下一般意义上星系的形成和演化理论及相关天体物理过程和规律提供独特的检验。银河系是唯一能将成员星解析为单体开展细致研究的盘星系；唯一能对从系外行星/褐矮星/白矮星到超巨星做完整星族分布研究的星系；唯一能对物质/暗物质三维空间分布和密度做天体物理学测量的场所；唯一能对恒星/星团形成过程及其反馈效应做细致天体物理学研究的场所。银河系结构研究与星系形成和演化、恒星形成和演化、恒星物理、宇宙学、星际介质等天文学研究领域密切相关，是当前天体物理学研究前沿热点方向之一。在银河系结构研究领域，最近10年科学家关注的主要热点问题可以归结为以下几个方面。（1）大样本恒星基本参数测量及样本构建大样本恒星基本参数测量及样本的构建是银河系结构研究的基础、难点和关键因素之一。如何从大样本恒星光谱中精确自动提取更多的恒星基本参数（视向速度、有效温度、表面重力加速度、金属丰度、α元素丰度、碳氮等单个元素丰度、年龄、消光、距离等）？如何基于高精度多色测光数据精确限制恒星基本参数？如何获取全天多历元高精度天体测量数据（三角视差、自行）？如何构建完备的、（统计）无偏的样本？这些问题的研究是银河系研究的制高点。（2）银盘的星族、结构及化学动力学演化银盘是银河系恒星分布的主体，包含了银河系90%的重子物质及绝大部分角动量，是恒星形成及星系动力学演化的主要场所，呈现众多复杂、起源不甚清楚的结构。研究银盘内这些不同结构的起源、运动学性质及动力学和化学演化，对理解银河系整体的形成和演化具有重要的意义。具体包括银盘的结构、运动学和化学性质及其随时间的演化，厚盘的起源，外盘的结构，银盘的大尺度运动，银盘的恒星形成和化学增丰历史，旋臂结构，长期演化及吸积并合过程对银盘性质的影响等。这些是银河系结构研究急需解决的基本和热点问题。利用LAMOST数据，国内天文学家在国际上首次利用极大样本恒星对银盘性质随年龄的演化进行探讨。此类工作的深入开展将极大地加深我们对银盘的认识。（3）银晕结构与吸积、并合历史晕是星系普遍存在的结构特征。银河系恒星晕的复杂结构是银河系研究的重大发现。通过几十年的观测和理论研究，今天我们普遍接受银河系的晕存在一个并合历史。在大型巡天项目的帮助下，人们已经发现了十几条并合过程所产生的潮汐流，还有十多个极暗的卫星星系，并且正在不断发现新的卫星星系和星流。近年来银晕的研究热点问题包括：恒星晕的吸积历史、数密度分布、金属丰度分布、运动学特征，卫星星系的性质，极端贫金属星和超高速星的搜寻等。同近场宇宙学相关联，银晕研究也延伸出两个非常重要的宇宙学问题：矮星系缺失问题和大质量矮星系缺失问题。（4）银河系物质分布和本地暗物质密度银河系深嵌在我们可以探测到的最近的暗物质晕中。这是我们了解暗物质的质量分布、动力学特征和演化的最佳观测目标。天体物理学家关心它的总质量、形状、子结构以及和银盘的相互关系，宇宙学家则更关心子晕的光度函数及其对于标准宇宙学模型的观测约束。太阳邻域的暗物质密度的探测已有超过半个世纪的历史，但受有限样本（数百颗星）的制约，不同工作得到的结论差异很大。精确测量太阳附近暗物质密度不仅是对天体物理学的一个挑战，对实验物理也具有重要意义，将有效限制暗物质粒子探测概率及粒子能量密度。（5）银河系中心棒核球的研究是天文学研究的热点之一。目前关于银河系核球研究的重要热点问题包括：核球中棒结构的具体性质（如几何结构、指向、沿各个轴的标长、动力学性质、图案速度、恒星轨道等）、经典核球所占质量比、核球中奇特X型结构（三维空间结构、动力学性质、X型臂内恒星的速度相关特征、轨道构成、整体转动速度等）、银晕和厚盘在其中的贡献、核球区的化学动力学性质（不同结构中不同金属丰度恒星的运动学特点）以及垂向/径向α元素的丰度梯度及中心棒对盘星运动学性质的影响等。（6）银河系星际介质、星团和恒星形成银河系星际介质和星团作为恒星的诞生地，无论是它们在银河系的分布、单个星团的内部运动与特性，还是星团大样本和大尺度的统计性质，对了解恒星形成、银河系的结构和演化都具有不可替代的作用。结合大视场多色测光数据和大样本光谱巡天数据，精确测量银河系三维消光分布对获取天体内禀辐射性质、构建银河系三维结构、获取星际气体尘埃的分布及性质具有重要的意义。星际弥散带（DIBs）的证认与起源是天文研究的世纪难题，解决这个难题对认识星际介质组成、物理环境及化学过程具有重要的意义。（7）M31 M31是一个本星系群内和银河系相当且可较细致观测的河外星系。研究表明，类似于银河系的研究被用在M31上时，给我们也带来了更多对银河系自身的认识。对M31的结构研究也是一个重要热点间题。通过以下3组文献计量学统计数据，可以评估中国在银河系结构研究领域中的国际地位。在2005-2014年的10年间，中国天文学家在银河系结构领域发表的SCI论文从14篇增加到70篇，世界排名从第18位上升到第11位；被引频次从世界排名第19位上升到第11位；前后两个5年期相比，中国高被引论文数量从5篇增长到14篇，2010-2014年位列世界第15位。中国的银河系结构领域研究无论是研究规模（论文数量）还是学术影响力（被引频次），近10年来国际地位均呈现出显著提升的态势。但是，与排名世界第1的美国相比还存在较大的差距。近年来，在国内研究人员坚持不懈的努力下，中国银河系结构研究取得了若干可圈可点的成就。2006年，南京大学和中国科学院紫金山天文台徐晔等人第一次利用VLBI技术精确测量了英仙座旋臂的距离；2013年发现本地旋臂具有与银河系其他旋臂类似的性质；2016年又发现了一条连接本地旋臂和人马臂的很长的旋臂次结构。2015年，中国科学院紫金山天文台银河画卷巡天研究组在银河系第二象限最遥远的区域新发现了一段分子气体旋臂，是迄今为止探测到的离银河系中心最远的旋臂。2007年中国科学院国家天文台徐岩等人发现了银晕的非对称结构。2009年中国科学院上海天文台尹君等人利用简单统一的化学演化模型同时描述了银河系和M31盘的多种观测性质。2010年中国科学院上海天文台沈俊太等人建立了最新的银河系核球动力学模型。近年来北京师范大学姜碧沟、高健、苑海波等人在银河系及近邻星系多波段消光规律方面也取得了重要进展。最近在LAMOST银河系巡天计划的强力支撑下，在大视场测光和分光巡天、恒星基本参数测量、太阳近邻的运动学、化学性质及演化、外盘结构、银河系物质分布、银河系化学演化、超高速星搜寻等研究方面，中国发表了一批具有重要意义的研究成果，储备了一批优秀的青年科研人才。2011年北京大学刘晓为领导的团队完成了盱眙施密特望远镜银河系反银心方向多色测光巡天计划，是中国天文学家利用自主设备完成的首个大天区面积、高精度CCD多色成像测星视向光巡天计划，并利用此数据在银河系整体结构、反银心方向三维消光方面产出了一批重要成果。北京大学和中国科学院国家天文台的研究团队并行独立地发展了2套LAMOST恒星大气参数测量软件，并构建了增值星表，包括恒速度、基本大气参数（有效温度、表面重力加速度和金属丰度）、[α/Fe]丰度比、C和N等元素的丰度，以及基于一系列方法导出的星际消光、恒星距离、运动学参数等。基于LAMOST光谱数据和增值星表，北京大学、中国科学院国家天文台、中国科学院上海天文台、北京师范大学等单位研究团队围绕银河系星族、结构、物质分布、化学动力学性质及其演化开展了系列研究工作，如：向茂盛等人测量了数十万颗主序拐点星的年龄，国际上首次利用大样本研究了银盘丰度梯度随年龄的演化；黄样等人给出了目前最为精确的太阳本征速度测量及100kpc内银河系的旋转曲线；刘超等人研究了太阳近邻恒星的年龄金属丰度关系；李海宁等人发现了数个特殊的极端贫金属星；苑海波等人发展了基于多目标光谱巡天对大视场测光巡天开展超高精度颜色定标的新方法。随着LAMOST银河系巡天计划的顺利开展，中国银河系研究人员发表论文数量的大幅增加和质量的决速提高，中国银河系研究国际地位也在提升。2012年8月，在北京召开的第28届国际天文学联合会大会上，LAMOST先导巡天数据向全世界公开释放。2013年5月，题为“SSettingthesceneforGaiaandLAMOST-thecurrentandnextgenerationsofsurveysandmodels”的第298次IAU专业学术研讨会在丽江召开。2015年8月在夏威夷召开第29届IAU大会之际，ResearchinAstronomyandAstrophysics（RAA）期刊出版了LAMOST银河系研究专刊。LAMOSTDR1和DR2及增值星表也已向国际释放。这些对提升中国银河系研究的整体水平和国际影响力起到了积极作用。由于银河系有2000亿颗恒星分布在全天4π立体角里，银河系研究极大地依赖于大视场、高精度测光巡天及多目标光谱巡天的开展。银河系研究最早可以追溯到Herschel、Kapteyn等人的工作。随着20世纪末和21世纪初GCS、2MASS、SDSS等巡天的开展，银河系考古学和近场宇宙学取得极大进展，已成为国际天文学研究的一个主流方向，呈现出蓬勃发展的态势。但是，这些巡天也仅仅揭开了银河系神秘面纱下的冰山一角。展望未来，银河系研究面临着重要发展机遇。目前，LAMOST银河系光谱巡天正顺利开展，截止到2016年6月，已获取600余万条高质量恒星光谱。欧洲空间局Gaia卫星已于2013年12月升空，2016年9月已进行了第1次数据释放，巡天结束时将得到全天10亿颗恒星精确的距离和自行信息。未来10年，可能显著影响银河系研究的大型设备和项目包括：LSST、DES、SkyMapper、PanSTARRs、Gaia、LAMOST、SUBARU/PFS、GALAH、Gaia-ESOsurvey、WEAVE、DESI等。这些已有的、正在开展的以及计划中的诸多测光、天测和分光巡天计划，使得银河系研究正进入一个前所未有的黄金时代。中国盱眙施密特望远镜银河系反银心方向测光巡天、南银冠u波段巡天和LAMOST银河系光谱巡天的开展，使中国天文学家积累了宝贵的大视场巡天经验，获得了国际上最大的银河系恒星光谱库，培养了一批年轻的科研队伍。基于自主数据产生的原创性成果呈喷发态势。中国银河系研究从无到有，现在国内天文学研究已达到国际平均水平，且有望实现加速超越。即将开始的LAMOST二期巡天，紧锣密鼓中的银河画卷计划，已经建成的FAST望远镜，筹备中的12m通用望远镜、2.5m大视场巡天望远镜和1.6m多通道巡天望远镜等国内项目和设备，为我们利用具有自主知识产权和国际竞争力的数据取得重要原创性成果提供了强有力的支撑和保障。期待中国银河系结构科研人员及相关望远镜和仪器技术人员再接再厉，从“追随”、“并行”到“引领”国际上银河系研究的发展，在银河系考古学和近场宇宙学加强深入系统的原创性研究，为星系的形成和演化理论提供坚实的支撑。刘晓为,苑海波,陈丙秋,向茂盛,黄样.科学家谈天文学重要方向银河系结构[J].科学观察,2020,15(02):34-37.