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中国科学院上海天文台与上海交通大学联合团队在仙女座星系(M31)结构研究方面取得重要进展 -- 中国科学院上海天文台

近期,中国科学院上海天文台与上海交通大学的联合研究团队在仙女座星系(M31)结构研究方面取得重要进展。研究团队提出了在星际气体观测数据中搜寻激波的新思路,从而给出了M31星系是一个棒旋星系而非普通旋涡星系的独立证据,并利用流体动力学模拟重现了气体中激波的主要观测特征。相关研究成果近期发表于国际天文权威期刊《天体物理期刊》(The Astrophysical Journal)。该研究成果于7月25日被美国天文学会(AAS)Nova网站选为研究亮点,以“仙女座星系中的棒”(A Bar in the Andromeda Galaxy)为题在网站头条报道(图1)。该网站从美国天文学会出版的众多天文期刊中每周精选约五篇论文作为研究亮点,分享给天文学界。图1.研究成果于7月25日被美国天文学会(AAS)Nova网站选为研究亮点,以“仙女座星系中的棒”(A Bar in the Andromeda Galaxy)为题在网站头条报道。旋涡星系分为正常旋涡星系与棒旋星系两类。棒旋星系中心的棒是由恒星构成的长条形结构,它是驱动旋涡星系内部长期缓变演化的最重要内因。M31是距离我们最近的旋涡星系。长久以来,天文学家一直试图确定M31的星系形态,从而给出它在著名的哈勃星系分类图中的位置。但由于M31相对于我们的视线方向几乎是一个侧向星系,因此很难直接从星系图像上确定其内部的结构特征。在此之前,天文学家根据恒星等亮度线的扭曲提出M31可能包含一个星系棒,但这一现象并不一定只能由棒产生,也可以由一个不转的椭球状核球产生[1][2][3][4]。气体观测数据也暗示M31可能有棒存在,如显著的气体非圆周运动,扭曲的零速度线等。但其他机制——例如与另一个星系的并合过程——也会导致类似的特征。所以作为一个具有显著经典核球成分的星系[5],对于M31是否是一个棒旋星系仍然存在很大争议,而确定M31的内部结构将为天文学家更好地理解我们的近邻星系的结构演化提供巨大帮助。为解决这一问题,研究团队提出了在星际气体观测数据中搜寻激波的新思路,从而给出了M31星系是一个棒旋星系而非普通旋涡星系的独立证据,并利用流体动力学模拟重现了气体中激波的主要观测特征。当旋涡星系的棒驱动星际介质内流时,会引发激波。这种激波会产生棒旋星系最为显著的特征之一——在棒前导侧(leading side)会形成一对尘埃带,其尺度与棒长相仿。上海交通大学沈俊太教授表示:“激波会在位置-视向速度图(position-velocity diagram)上展现出急剧的速度跳变特征。而这种剧烈的速度跳变特征能够被积分视场光谱仪(integral field unit,IFU)捕获并分辨。如果这些激波特征符合棒旋星系激波的规律,那么就能明确证明M31星系中存在棒。”基于这个思路,研究团队利用最新的积分视场光谱仪VIRUS-W对M31中电离氧气体发射线[OIII]的观测数据,并结合中性氢原子气体(HI)的数据,提取了垂直于星系盘主轴方向不同切片内的位置-视向速度图,最终通过边缘检测算法识别出了M31星系[OIII]和HI数据中的激波特征(图2)。图2.M31星系在远离我们一侧的[OIII]的激波特征。波长为500纳米左右的二次电离氧[OIII]双发射线是可见光谱中的禁线,只可能在非常低密度的宇宙环境下出现,是VIRUS-W光谱仪波长范围内的最主要发射线之一。数据点代表[OIII]的观测数据,颜色代表流量密度。每一个子图对应一个垂直于盘主轴的切片。X代表切片在盘主轴上的位置。黑色曲线代表数据点被平滑后的结果。红色粗线,细线和虚线分别代表最强的,较强的和较弱的激波特征。大多数激波特征分布在星系的远端(在盘主轴下方)。研究团队发现,这些激波特征较为规律地分布在千秒差距(kpc)量级的尺度上(图3)。目前最新的恒星动力学模型认为M31星系的棒主轴角度与盘主轴相差约17度[6]。如果这样的假设成立,那么激波特征的确主要分布在棒的前导侧,这与棒旋星系的理论预期非常一致。图3.[OIII]和HI激波特征在M31星系内的空间分布。背景光学图像来源于哈勃太空望远镜,Subaru和Mayall望远镜。红色圆圈和蓝色三角形分别代表[OIII]和HI中的激波位置。实心,空心和虚框表示的标志分别代表最强的,较强的和较弱的激波特征。虚线代表最新动力学模型中的棒主轴方向。“我们发现这些激波特征主要分布在M31的核球区域,其速度跳变最强可超过170千米/秒,速度梯度可达1.2千米/秒/秒差距。”上海天文台博士研究生冯子轩表示:“我们面临的问题是,基于旋转星系棒势场的流体数值模拟能否重现这样急剧的激波特征。”研究团队结合最新的恒星动力学模型,模拟了不同棒转速、气体有效声速和观测视角下的气体运动,最终得到了与观测结果基本一致的模型(图4)。模型中的激波位置和速度跳变特征与观测中的基本一致,该模型棒的转速为20千米/秒/千秒差距,气体有效声速为30千米/秒。棒主轴的方位角和气体盘倾角分别为54.7度和77度。研究团队还测试了用无旋转的棒来类比椭球状核球结构,并发现无旋转的棒无法产生激波,也不会有明显的速度跳变特征。这些发现都进一步表明M31拥有一个旋转的中心棒,而非一个静态的椭球状核球。图4.M31星系的气体动力学模型。左侧展示了M31模型投影至天空平面后(左上角)和投影前(左下角)的气体面密度分布。其中粉色圆圈和紫色三角形分别代表[OIII]和HI数据中的激波位置。右侧展示了不同切片对应的位置-视向速度图,黑色数据点代表模型中气体的速度分布,红色和蓝色数据点分别代表[OIII]和HI的观测数据。右下角为右上角图片在激波处的放大版本,虚线代表无旋转的棒模型。研究团队认为,本次研究给出了M31星系有棒结构的明确的观测证据,这有助于揭示M31结构形成及动力学演化历史,而确定了M31的棒结构将为天文学家更好地理解我们的近邻星系的结构演化提供巨大帮助。研究团队将在后续研究中将观测到的气体特征与更多气体动力学模拟进行详细比较,以期更好地了解M31中心的气体特征以及明确M31棒的主要参数。中国科学院上海天文台博士研究生冯子轩、上海交通大学天文系博士后李智为论文的共同第一作者,上海交通大学沈俊太教授为通讯作者。本项成果的主要合作成员为德国马普学会地外物理研究所的Ortwin Gerhard团组。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、上海交通大学等机构的资助。本工作的数值模拟使用了上海天文台Cluster集群和上海交通大学天文系Gravity集群。注释:[1]Stark,A.A.1977,ApJ,213,368[2]Gerhard,O.E.,Vietri,M.,&Kent,S.M.1989,ApJL,345,L33[3]Méndez-Abreu,J.,Simonneau,E.,Aguerri,J.A.L.,&Corsini,E.M.2010,A&A,521,A71[4]Costantin,L.,Méndez-Abreu,J.,Corsini,E.M.,et al.2018,A&A,609,A132[5]Athanassoula,E.,&Beaton,R.L.2006,MNRAS,370,1499[6]Bla?a Díaz,M.,Gerhard,O.,Wegg,C.,et al.2018,MNRAS,481,3210论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac7964 AAS Nova报道链接:https://aasnova.org/2022/07/25/featured-image-a-bar-in-the-andromeda-galaxy/科学联系人:冯子轩,中国科学院上海天文台,fengzx shao.ac.cn沈俊太,上海交通大学物理与天文学院,jtshen sjtu.edu.cn附件下载:.

2022-08-15  (点击量:199)

以新的视角看待爆炸性恒星合并的后果

首次使用毫米波长的光观察到中子星与另一颗恒星合并的后果。遥远的合并发生在宇宙大约55亿年的时候,紧随其后的是天文学家发现的最有活力的短持续时间伽马射线暴(SGRB)之一。它还留下了有史以来最明亮的余辉之一。这些对余辉的最新毫米波长观测可以帮助天文学家了解重元素是如何在这种灾难性的合并中形成的。短暴被称为GRB 211106A,它的伽马射线于2021年被发现。现在,Tanmoy Laskar及其同事使用智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)射电望远镜观察余辉中的毫米波长光。在电磁光谱中,这种光介于红外线和微波之间。涉及中子星的爆炸性合并被认为会形成铂和金等重元素。因此,了解这些合并是如何进行的对于了解星系如何演化以及最终如何在地球等行星中出现重元素非常重要。“在无线电波长上检测到的短暴余辉很少。这是因为,虽然它们非常明亮,但这些爆炸发生在遥远的星系中,这意味着对于我们在地球上的望远镜来说,它们发出的光可能非常微弱,”拉斯卡解释说,他很快将加入犹他大学。“目前已知的短暴射电余辉大约只有六次。尽管进行了近20年的搜索,但在毫米波长上没有发现任何东西。”Laskar解释说,从短暴发现毫米辐射特别有用,因为光线不受通过银河系中的电离气体的影响,这可能会使对较长波长无线电波的观测结果的解释具有挑战性。毫米光也不受量子效应的影响,量子效应会使远距离高能X射线的解释变得困难。西北大学的团队成员Wen-fai Fong补充说,毫米波可以让天文学家“看穿”通常对其他波长不透明的阻碍物质。她补充说:“这些观察结果表明,在这次伽马射线爆发附近有大量尘埃。”“这解释了为什么我们没有从爆发中观察到任何可见光。”事实上,结合不同波长光的观察结果是更清晰地揭示这一强大事件的关键。西北大学的Genevieve Schroeder告诉物理世界,将GRB 211106A的毫米波观测与X射线数据相结合,表明该团队的伽马射线爆发的能量和范围有多大。Laskar补充说:“了解这些特性有助于我们更好地了解这些极端爆炸的前身——中子星合并”。“当恒星合并时,由此产生的爆炸伴随着以接近光速移动的物质射流,”拉斯卡说。“当其中一个喷流指向地球时,我们会观察到伽马射线辐射的短脉冲,即短暴。”伽马射线信号转瞬即逝——仅持续几分之一秒——因此很难单独使用短暴来确定合并的位置。幸运的是,当喷射流撞击合并周围的气体时,它会产生更持久的余辉,天文学家可以看到。“捕捉余辉光对于确定爆发来自哪个星系以及更多地了解爆发本身至关重要,”拉斯卡解释说。尽管如此,施罗德表示,团队的成功并不能得到保证。“这次观察是我们第一次将ALMA指向短暴,由于ALMA非凡的灵敏度,我们只能检测到余辉。由于望远镜灵敏度较低,之前对短暴的毫米波观测导致无法检测到,因此这次爆发确实凸显了ALMA的惊人能力。”首次观测到两颗中子星的壮观碰撞由于GRB 211106A随着余辉的消退,已经在多个波长上进行了研究,Fong说,该团队可能不会再考虑与ALMA的这种特殊合并。虽然已经从中子星合并中看到了引力波,但在GRB 211106A中没有看到它们。这是因为对于现有的引力波探测器来说,信号太微弱了,无法观测到。然而,Fong指出,未来几代引力波探测器将很快能够探测到与GRB 211106A一样远的合并。“那将是一个非常激动人心的时代,因为检测短暴与它们的引力波将成为常规。”

2022-08-15  (点击量:12)

精密重力测量国家重大科技基础设施工程经理部召开重力基准校验评估体系六个装置性能验收方案评审会

8月6日,精密重力测量国家重大科技基础设施工程经理部组织召开重力基准校验评估体系“固定重力测量装置”、“移动重力测量装置”、“重力比对观测装置”、“背景物理场监测装置”、“重力仪性能校验装置”、“重力仪环境校验装置”性能验收方案评审会。会议采用线上和线下相结合的方式进行,评审专家组由中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中山大学、西安测绘研究所、自然资源部第二海洋研究所、中国计量科学研究院、中国地震局地球物理研究所的7位专家组成,倪四道研究员担任评审专家组组长。会议由总工程师胡忠坤教授主持,首席科学家罗俊院士出席。工程经理部各级负责人、工程师、办公室人员参加。工程总经理周泽兵教授致欢迎词。他对在炎热周末莅临武汉指导工作的专家们表示热烈欢迎和衷心感谢,详细介绍了PGMF设施项目的基本情况与研究进展、设施验收流程、性能验收方案评审的重要性。周泽兵指出,这是PGMF的第四场装置性能验收方案评审会,重力基准校验评估体系是PGMF重要的核心装置,请专家以高标准、严要求对装置性能验收方案进行把关。专家评审通过的性能验收方案将作为性能验收的规范和依据。与会专家听取了重力基准校验评估体系装置负责人周敏康、陈乐乐、程源、邓小兵、段小春关于移动重力测量装置、固定重力测量装置等六个装置性能指标及验收方案的汇报。经质询、交流和讨论,评审专家组一致评审通过六个装置的性能验收方案。首席科学家罗俊院士作总结。罗院士感谢各位专家提出了很多积极中肯、富有建设性的建议,要求各装置负责人根据专家意见和建议进一步完善验收方案,做实做细做好各项工作。罗院士强调,科研成果只有同国家需要、人民需求相结合,才能真正实现创新价值,这是很重要的课题。PGMF要加快建设和试运行,早日服务于国家战略需求。(图片拍摄魏鹏帅梅盛).

2022-08-15  (点击量:25)

“引力波时代基础物理的机遇与挑战”研讨会

会议背景及目的: 自2016年美国的LIGO宣布首次捕捉到引力波信号以来,人类正式进入了引力波时代。随后,几个国家和地区也在升级、规划新的引力波探测工程。因此,未来的几十年与引力波相关的基础物理研究将是一个非常活跃、激动人心的领域。 引力波物理与基础物理的许多问题紧密相关。探测引力波的来源之一是早期宇宙,它产生于暴涨、重加热和一阶相变等阶段。包括空间引力波探测在内的天文学观测积累了大量的数据,为宇宙学模型的建立提供了越来越强的限制。因此,相关研究可以指导我们建立真实、可靠的宇宙学模型,探索超出爱因斯坦引力理论、揭示引力的本质。引力波探测中双中子星融合事件的观测为研究致密核物质的性质开启了新的时代。中子星性质的观测以及更精密引力波的测量,可以对致密核物质的性质给出约束,为研究高密区域的核物理提供了检验环境,有助于解释强相互作用物质的相变、夸克禁闭机制以及物质组成。另外,引力波及其它天文学观测还有助于我们进一步揭示宇宙物质的分布,更加深刻理解暗物质、暗能量以及黑洞的形成和宇宙暴胀的产生,解释引力宇宙的演化规律。 本次引力波探测相关的基础物理问题的研讨会的主旨是团结国内本领域的专家学者通过自由讨论、交流,凝练出可能取得重大突破的基础物理问题,促进同行间实质性的合作。 本次会议由国科大杭州高等研究院、中国科学院大学、中国科学院理论物理研究所、国际理论物理中心(亚太地区)共同主办,国科大杭州高等研究院承办。 会议主题: 1.引力波探测以及其它天文学观测的现状与展望; 2.宇宙的起源及演化规律; 3.超出爱因斯坦广义相对论的引力理论,量子引力及引力的本质; 4.暗物质、暗能量以及黑洞的形成和宇宙暴胀的产生; 5.极端条件下强相互作用物质的性质与中子星(致密星)物理; 6.引力宇宙物态演化与数值模拟。

2021-04-09  (点击量:132)

Guido Müller 教授加入汉诺威的阿尔伯特爱因斯坦研究所担任主任。他将建立该研究所的第三个部门“精密干涉测量与基本相互作用”,重点研究 LISA 和未来太空任务的精密干涉测量,以及超出标准模型的基本相互作用。

Guido Müller教授加入汉诺威的阿尔伯特爱因斯坦研究所担任主任。他将建立该研究所的第三个部门“精密干涉测量与基本相互作用”,重点研究LISA和未来太空任务的精密干涉测量,以及超出标准模型的基本相互作用。第三位主任将于2022年8月加入AEI汉诺威。Guido Müller是佛罗里达大学高能物理和天体物理研究所(IHEPA)的物理学教授。他在地基和天基引力波探测器精密干涉测量方面的专业知识将加强AEI在这些研究领域的全球领先地位。此外,他对超越标准模型物理学的贡献进一步拓宽了研究所的研究范围。“接下来的几年和几十年将是一个非常激动人心的时刻:引力波天文学的鼎盛时期,拥有更敏感的天文台和更多的事件,”穆勒说。“我感到非常荣幸,并感谢拥有如此有声望的职位所带来的机会;但我也知道我们研究所对LISA的责任,这是有史以来最大的天文台。”作为LIGO科学合作组织的成员,Müller致力于初始和高级LIGO探测器的许多方面,包括输入光学器件的设计、制造和安装。他开发了LISA干涉测量系统的关键技术,这是计划于2030年代初发射的计划中的天基引力波天文台。作为ALPS合作的成员,他致力于研究检测新基本粒子和现象的实验方法。“我很高兴欢迎我在汉诺威的第一个博士生Guido Müller在佛罗里达度过了25年之后再次回到家乡。随着他的到来,我们长期计划的将我们研究所扩展到三个系的计划终于实现了,”AEI汉诺威主任Karsten Danzmann说。“穆勒教授在天基和地基引力波探测器方面的经验和研究专长将巩固我们研究所作为世界领先的引力物理中心的作用。”Guido Müller于1997年在汉诺威大学获得博士学位。之后,他在日本东京电气通信大学担任JSPS博士后研究员,并在佛罗里达大学担任博士后研究员。在接下来的几年里,作为佛罗里达大学的研究科学家,他还成为了美国宇航局戈达德太空飞行中心的访问科学家。2003年被任命为助理教授,2007年被任命为副教授,2012年成为佛罗里达大学高能物理和天体物理研究所的正教授。

2022-08-15  (点击量:17)

太阳活动增加给小型卫星带来了新的挑战

在8月8日由安全世界基金会组织的第36届小型卫星会议上组织的小组讨论中,一位太空天气专家警告说,过去几年相对良性的情况正在结束。“无论你在过去两年里经历了什么,都无关紧要,”NOAA空间天气预测中心(SWPC)的太空科学家Tzu-Wei Fang说。“无论你在过去两年里学到了什么,在未来五年内都不会适用。空间天气活动增加的一个影响是,随着风暴加热并扩大高层大气,增加其密度,对卫星的阻力更大。二月份,当一场太阳风暴导致49颗新发射的SpaceX Starlink卫星中的38颗重新进入时,这些卫星的推进器无法克服风暴产生的增强的大气阻力时,就说明了这一点。“那场风暴实际上是我们目录中的一场小风暴。这不是一场巨大的风暴,“她说。SWPC一直在与SpaceX合作研究这一事件,包括如何更好地利用空间天气模型来预测大气条件,而不是影响卫星。总结这些发现的论文将很快发表在期刊上。除了评估模型外,她还表示SpaceX正在提供其Starlink卫星的轨道数据。“我们正试图看看如何利用这些数据来改善密度估计。大气阻力的增加也对太空交通管理产生影响。“在一场风暴之后,在两天内,一切都无处不在,”她说,因为卫星和碎片之间的阻力效应各不相同。“现在是时候开始担心碰撞了。太阳活动的这种上升不仅与发射卫星数量的急剧增加相吻合,而且是在前一个11年周期之后发生的,该周期被空间科学家称为Cycle 24,相对温和。这意味着许多卫星运营商对活跃太阳的影响没有经验。新的第25周期在本十年中期左右达到顶峰,似乎可能更加活跃。“如果你看看今年年初,事情非常疯狂。我们几乎每周都有太阳耀斑,“她说。目前的周期趋势高于预测,增加了未来几年更多,更强大的太阳风暴的机会。“我们已经远远超出了我们目前预测的范围。太阳风暴也会破坏卫星运行,甚至损坏组件。这可能特别影响小型卫星,它们经常使用商用现货(COTS)电子设备,这些电子设备比更昂贵且订购时间更长的抗辐射组件更容易受到太阳活动的影响。业界官员在会议上表示,由于对太阳活动增加的担忧,他们尚未注意到公司和组织从COTS到小型卫星的辐射硬化电子设备的任何重大转变。他们说,卫星运营商的一种选择是在关键子系统上使用辐射加固组件,并在可以处理偶尔中断的其他系统上保留COTS组件。方说,卫星运营商不能忽视太阳风暴的影响。“非常重要的一点是,我们所有人都要意识到太空环境的影响,你的卫星将如何减轻这种辐射环境,以及如何减轻阻力效应。

2022-08-15  (点击量:17)

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