化学制图揭示了银河系的旋臂

德克萨斯大学奥斯汀分校天文学助理教授基思·霍金斯(KeithHawkins)使用化学制图术(也称为化学绘图)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《皇家天文学会月刊》上，证明了这项开创性技术在理解我们家乡星系的形状、结构和演化方面的价值。

银河系的化学图显示了元素周期表中的元素在整个银河系中的分布情况。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识别天体的位置。尽管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该技术中获得重大成果。这要归功于功能日益强大的望远镜的上线。

霍金斯说：“就像早期的探险家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，但仍需要检查。”

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，其精确的形式、结构，甚至手臂的数量一直是一个正在进行的调查。那是因为我们生活在银河系之内，无法走得足够远，无法从局外人的角度来观察它。“这就像身处一座大城市，”霍金斯解释道。“你可以环顾周围的建筑物，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，除非你乘坐飞机飞过它的上空。”

我们对银河系的有限认识并没有阻止天文学家创建信息灵通的银河系模型。或者艺术家为它绘制美丽的插图。“但是，”霍金斯说，“我想知道这些模型和插图实际上有多准确。并看看化学制图是否可以更清晰地揭示银河系旋臂。”

绘制银河系地图

绘制银河系地图的一种传统方法是确定年轻恒星的浓度。当银河系旋转时，其旋臂中的尘埃和气体会被压缩，从而促使新恒星的诞生。因此，只要有大量年轻恒星，就可以预测那里也会有手臂。

天文学家可以通过检测年轻恒星发出的光来定位它们。但有时尘埃云会遮挡恒星，即使是最好的望远镜也很难观察到它们的光。因此，银河系旋臂的某些区域尚未被发现。

化学制图帮助天文学家填补缺失的部分。

它依靠称为“金属丰度”的天文学概念来实现这一点。金属丰度是指恒星表面存在的金属与氢的比率。在天文学中，元素周期表中除氢或氦之外的任何元素都称为“金属”。年轻的恒星比老恒星拥有更多的金属，因此具有更高的金属丰度。这是因为它们是在我们宇宙的历史后期形成的，当时存在更多的金属。

大爆炸之后，唯一存在的元素是氢、氦和少量金属。在它们的核心中，第一代恒星将氢和氦融合成越来越复杂的金属(即元素周期表上越来越重的元素)，直到它们最终死亡或爆炸。但混乱中孕育着生命。这些爆炸将金属喷射到周围环境中，这些金属被用作下一代恒星的构建块。

随着恒星诞生和毁灭的循环不断重复，每一代恒星都比前一代富含更复杂的金属，使其金属丰度越来越高。从理论上讲，银河系的旋臂含有大量年轻恒星，其金属丰度应该高于旋臂之间的区域。

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。他重点关注了太阳周围存在这些数据的区域——最远可达32,600光年的区域。富含金属物体丰富的区域预计将与旋臂对齐，而富含金属物体稀缺的区域将与旋臂之间的空间对齐。

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，旋臂彼此对齐。更重要的是，由于霍金斯的地图根据金属丰度而不是年轻恒星发出的光来识别旋臂，因此出现了以前未知的新区域。

霍金斯说：“一个重要的结论是，旋臂确实富含金属。这说明了化学制图在识别银河系结构和形成方面的价值。它有可能完全改变我们对银河系的看法。”

盖亚太空望远镜彻底改变了我们银河系的研究

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大。

在他的研究中，霍金斯分析了来自大天区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(Gaia)的新数据(数据发布3)尤其具有洞察力。这是因为盖亚提供了迄今为止对银河系最精确、最全面的调查，包括其化学成分。

自2013年推出以来，Gaia已监测了大约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展到数十亿个物体，并且覆盖银河系更大的区域。

“盖亚提供的海量数据使我们现在能够在银河范围内进行化学制图，”霍金斯说。“直到最近才获得有关数十亿颗恒星的位置及其化学成分的数据。”

到目前为止，盖亚已经提供了银河系迄今为止最大区域的化学数据。然而，这仍然只占银河系的百分之一左右。随着盖亚继续勘测天空，随着新望远镜的上线，天文学家可以越来越多地使用化学制图来了解我们家乡银河系的基本特性。这些教训反过来可以应用于其他星系和整个宇宙。正如霍金斯所解释的，“这是一个全新的时代。”