近日，中國科學(xué)院上海天文臺和紫金山天文臺提出了新的、定量的星系結(jié)構(gòu)模型，將類似銀河系的一般盤狀星系的幾何結(jié)構(gòu)描繪成“巧克力碎餅干”（Chocolate Chips Cookie）。星系中的老年恒星及其間的彌散星系介質(zhì)構(gòu)成“餅干”的主要成分，而呈團(tuán)塊狀分布的恒星形成區(qū)域則構(gòu)成了顏色較暗的“巧克力碎”。這項(xiàng)研究定量分析了盤狀星系在不同視線方向上的觀測特征，為盤狀星系中的恒星及塵埃的空間分布提供全局性的幾何分布模型，并為完整描述盤狀星系中塵埃的輻射轉(zhuǎn)移過程奠定基礎(chǔ)。10月21日，相關(guān)研究成果于發(fā)表在《天體物理期刊》（The Astrophysical Journal）上。
宇宙中大部分星系都經(jīng)歷了上百億年的恒星形成和演化過程。對大部分星系來說，它們雖然已過恒星形成最熾烈的“壯年期”，但至今仍然在持續(xù)不斷地形成新的恒星。新的恒星在低溫的氣體云中誕生，產(chǎn)生的熾熱輻射將周圍的部分氣體電離，使天文學(xué)家可通過電離氣體的閃光追蹤其誕生區(qū)域。在星系的演化歷程中，一代代恒星在核聚變中產(chǎn)生各種重元素。這些重元素在冷的氣體云中通過復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)逐漸形成了固體小顆?！煳膶W(xué)家稱之為“塵埃”。這些塵埃構(gòu)成了人類眼中的大千世界，更由于它們對星光的吸收、散射和再輻射使星系在不同的電磁波段呈現(xiàn)完全不同的風(fēng)貌（圖1）。
天文學(xué)家通過大規(guī)模的“普查”發(fā)現(xiàn)，近鄰的宇宙中存在大量與銀河系相似的盤狀星系。這些盤狀星系中，老年恒星及恒星間彌散的星際塵埃呈現(xiàn)連續(xù)的扁平結(jié)構(gòu)分布，而新的恒星形成區(qū)域及周圍的塵埃包層則呈現(xiàn)為團(tuán)塊狀并分布在一個更為扁平的盤狀結(jié)構(gòu)中。正是由于塵埃對星光的吸收作用以及塵埃和恒星之間的復(fù)雜幾何分布，使得盤狀星系從不同的角度看上去是“橫看成嶺側(cè)成峰”，平添宇宙中幾多壯美的風(fēng)景（圖2）。2000年法國學(xué)者Stéphane Charlot和美國學(xué)者M(jìn)ichael Fall提出了局域的恒星和塵埃分布的幾何模型（圖3）。該模型中，年輕的恒星形成區(qū)域被連續(xù)的老年恒星及其間的彌散塵埃所包圍，因此可定性地解釋河外星系中恒星形成區(qū)平均受到的塵埃消光要高于老年恒星的觀測現(xiàn)象。然而，在更大尺度的范圍上，盤狀星系作為一個整體來說，其不同年齡的恒星及其相應(yīng)的塵埃成分呈現(xiàn)什么樣的幾何分布？
聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在Charlot& Fall的局域模型基礎(chǔ)上構(gòu)建了新的盤狀星系的整體結(jié)構(gòu)模型——“巧克力碎餅干”模型（Chocolate chips cookie model，圖4）?？蒲腥藛T通過該模型的分析發(fā)現(xiàn)，老年恒星及其中彌漫的星際介質(zhì)構(gòu)成了餅干的主體，而其中內(nèi)嵌的巧克力碎片則形象地描繪了新的恒星誕生區(qū)域。這些新的恒星尚未完全脫離其母體星云，其外圍星云中的塵埃仍對星云內(nèi)部的輻射產(chǎn)生了顯著吸收，使這些恒星形成區(qū)域看上去就像顏色較深的“巧克力碎”。由于觀測者只能看到星系某個角度的圖像，因而對于一般的盤狀星系這樣的整塊“餅干”，難點(diǎn)在于準(zhǔn)確地給出其中“巧克力碎”即新生恒星區(qū)域的含量和分布特征?？蒲腥藛T在近鄰宇宙的大樣本星系中選擇了一組與銀河系質(zhì)量相當(dāng)?shù)谋P狀星系作為研究對象。這些星系的盤面相對于觀測者來說具有隨機(jī)的指向，在某種程度上，等價為從各個不同的角度對一個銀河系這樣的典型星系進(jìn)行了全方位觀測?；趲е坝钪鎸W(xué)原理”特色的想法，科研人員建立了定量的“巧克力碎餅干”模型，可復(fù)現(xiàn)盤狀星系中的塵埃在不同觀測角度上對老年恒星和年輕恒星區(qū)域所產(chǎn)生的不同觀測效應(yīng)。在該模型中，對于銀河系這樣的典型盤狀星系來說，其恒星形成區(qū)（“巧克力碎”）的盤面厚度僅為老年恒星分布（“餅干主體”）的一半，但在其徑向上的延展程度卻高出60%。
該研究提出的模型可在統(tǒng)計(jì)上解釋盤狀星系由塵埃消光引起的各觀測特征外，并可預(yù)言它們的典型物理特征，從而可以和銀河系這樣的典型盤狀星系的細(xì)致觀測結(jié)果進(jìn)行比較。例如，通過對模型的細(xì)致分析，發(fā)現(xiàn)在像銀河系這樣的盤狀星系'餅干’中，約存在一萬個左右能夠看得見的'巧克力碎’?；谀Ｐ偷睦碚摲治龊豌y河系中對恒星形成區(qū)域及相應(yīng)年輕星團(tuán)的觀測結(jié)果具有一致性。這在一定程度上說明了銀河系在宇宙中具有一般性。本次研究提出的模型還進(jìn)行進(jìn)一步拓展，以期應(yīng)用于盤狀星系中塵埃的輻射過程，復(fù)現(xiàn)和解釋像銀河系這樣的典型的盤狀星系在紅外波段的觀測特征。研究工作得到國家自然科學(xué)基金的支持。
圖1. 銀河系在不同電磁波段的形態(tài)（圖片來源：NASA）
圖2. 盤狀星系的正面照：風(fēng)車星系M101（左）；盤狀星系側(cè)面照：草帽星系M104（右）。星系圖片中的暗淡區(qū)域均為塵埃的減光過程所引起（圖片來源：NASA）。
