科学家用中性氢最新观测绘制出银河系的“血管网络”

银河系中弥散的中性氢原子（HI）是孕育恒星形成区的子宫，也是大质量恒星在其生命周期中所注入的大部分能量的介质。因此,对中性氢原子的分布和动力学的研究,对于理解星际介质中能量和物质循环至关重要。

近日，来自欧洲一队天文学家(J. D. Soler等人)利用德国Effelsberg 100米和澳大利亚Parkes 64米射电望远镜，对银河系银盘附近中性氢原子的21厘米发射线进行了观测。从获得的射电数据中，研究者们利用Hessian矩阵分析技术挑选出一系列的纤维状结构，用Rayleigh统计检验的方法分析其空间指向，并给出了这些“银河血管”的三维影像学分析。

相关论文以《氢原子发射的纤维状结构揭示的银河动力学》(“The Galactic dynamics revealed by the filamentary structure in atomic hydrogen emission”)为题，发表在最新一期著名天文学期刊《天文学与天体物理学》(Astronomy & Astrophysics)上。

在研究中，天文学家们也发现，银河系中性氢原子的纤维状结构相对银河系银盘的指向，会随着其与银河中心距离的变化而逐渐变化。在银盘中心，大部分中性氢原子纤维状结构垂直于银盘，或是没有明显的指向偏好;而银盘外侧10—18 kpc(kpc，千秒差距，天文学上量度距离的一种单位，等于一千个秒差距或是3261.56377716743353658491光年)的区域内，中性氢原子纤维状结构则与银盘平行;在银盘外侧，纤维状结构的分布还随着银盘的翘曲等结构发生变化，并可能反映出银河系和其附近卫星星系相互作用的影响。

研究者们推测，在银河系中心，中性氢原子垂直提升可能是受到历史上超新星反复爆发活动产生的能量的影响;而在银河系外围，中性氢原子纤维结构的水平分布很可能是银河系旋转和剪切的结果。

这些观测结果也表明银河系的原子气体分布与附近的漩涡星系类似，此前科学家们在银河系附近的漩涡星系内部发现了可能由超新星风产生的洞，而在外部则主要是旋臂和湍流。

中性氢扫天勾勒银河系轮廓

氢是宇宙中含量最多的元素，几乎无处不在。而在单个星系内，氢的存在形态可以是电离氢（HII），中性氢原子（HI）以及氢分子。通常而言，中性氢原子主要集中在晚型星系的盘面内，这些区域本身密度不太高，不足以坍缩形成恒星，但它们却充当着新一代恒星形成的原料库，在恒星生命循环中扮演着重要的角色。

从上世纪50年代，科学家们开始用21厘米的无线电波对宇宙中的中性氢进行观测。这是由于中性氢原子在没有吸收光子的情况下，自身也会产生辐射。当处于基态的中性氢原子的电子自旋和核自旋相互作用，电子自旋会从与核自旋平行的高能态跃迁到与核自旋反平行的低能态，发出波长为21厘米、频率为1420.4057517667 MHz的射电谱线。

利用这条谱线，天文学家可以推断宇宙中中性氢原子的分布。在观测中，这段无线电波也不会被星际尘埃吸收，而正是因为这种尘埃的吸收机制的阻碍，使得光学的观测方法在超过几千秒差距的距离上几乎无效。

1954年—1958年期间, 天文学家利用中性氢射电的多普勒频移与银河系旋转曲线构建了银河系外围的正面图像。2005年, 天文学家通过分辨率为36角分的LAB(莱顿-阿根廷-波恩)射电望远镜进行了第一次全天空中性氢观测发现，银河系是一个由四条旋臂组成的非轴向螺旋系统，其臂长从银河系中心来测算至少25kpc。

对中性氢射电的进一步研究也确定了银河系其它旋臂的结构。2011年，同样是利用LAB射电望远镜观测，天文学家在距离银河系中心约15 kpc处的银河第一象限处,发现了一个假设的旋臂结构，它位于银河系四大旋臂之一的外臂(Outer Arm)以外。2005年，天文学家使用分辨率为2角分的SGPS干涉望远镜对中性氢射电进行观测,在银河系的第四象限中确定了可能的遥远旋臂。

除了旋臂结构,天文学家还利用中性氢原子的射电解释了银河系盘面的翘曲、耀斑，并追踪到了银河系中主序星、超新星和其它高能量过程的能量输入印记。

中性氢纤维状结构绘制银河系“血管”

从上世纪70年代起，天文学家陆续发现了银河系中性氢原子分布的各种结构。1973年,天文学家第一次对银河系银盘的中性氢射电成像，展现了一系列壳状、弧状和纤维状结构。其中，中性氢的壳状结构被认为可能是由星系内部的恒星风和尘埃共同作用形成。

天文学家们也特别注意到了那些垂直于银盘的纤维状结构，称它们“就像从银盘中爬出来的虫子” 。基于分辨率为4角分和30角分的单碟望远镜观测数据,天文学家发现这些纤维状结构具有沿着局部星际介质磁场分布的优先指向。这种排列可能是磁场导致的速度各向异性，沿磁场线的物质坍塌，激波或气体密度分布不均的产物。

2020年，天文学家Soler等人在Hi/OH/重组线(THOR)调查中,通过对基于40′′分辨率的中性氢干涉观测的分析，揭示了中性氢射电中的大多数纤维状结构与银河银盘面平行，但银河系第一象限中一部分由垂直的中性氢纤维结构主导，这种情况的出现，最有可能是历史上超新星的反复爆发的反馈和星际磁场的综合效应造成。

在这次最新的中性氢纤维结构研究中, 研究者将Soler等人(2020)的分析扩展到整个银河系银盘，在银河系的经度和纬度上进行扩展。文章作者也解释，他们的研究目的不是将中性氢的这些纤维状结构定义为三维空间中的物体，例如旋臂或细气体链,而是为了研究银河系银盘中原子气体分布的一般各向异性。

文章指出,纤维状结构指向是中性氢射电的一个特征，与纤维状结构的宽度和长度等其它特性相比，它对角分辨率的依赖没有那么明显。如果把纤维状结构理解为星系强度场的特征，而不是物理对象，则这种分析可以表现射电分布的各向异性。考虑到银河银盘的自然对称轴，这一特征尤其与之相关。星系的引力势、以及由圆周运动和旋臂引起的拉伸自然会产生水平分布的中性氢纤维结构。偏离这种自然情况的各向异性可能表明银盘中气体上升或下降的能量过程。

跟Soler团队在2020年的研究一样，此次研究者们也采用Hessian矩阵技术对纤维状结构进行选择编码，并用Rayleigh技术进行统计检验。

具体而言，研究者通过假定围绕银河系中心的圆周运动以及一个标准的旋转曲线,分析了中性氢原子在银河系银盘中的分布。首先，他们关注了日心半径的纤维状结构的指向，以研究角分辨率和距离的综合效应，其次，他们比较了在不同日心运动距离下纤维状结构的指向，最后研究者分析了随着银河中心半径的变化，并得到了中性氢原子在银河系银盘平面空间指向的正面视图。

图一：银河系银盘经度-视线速度图：作者用不同的线标明出了银河系主要的旋臂结构。左图的颜色代表中性氢原子的辐射强度，而众多纤维结构就暗藏其中。右图则展示了利用Rayleigh统计给出的不同纤维结构的指向。

图二：研究者利用可视化技术把确定的纤维结构从背景辐射中凸显出来，并选取三个速度通道做成了一张带3D效果的彩色图。如同一头巨兽体内的血管网络。

 有业内人士评论称，这些纤细的“血管”的分布和指向讲述的是银河系过去的漫长历史里，恒星死亡后的能量是在哪里、被以何种方式返还给星际介质的故事。其中还可能包含着向着银盘的气体吸积、星际介质内宇宙线引起的能量扩散、以及大规模超新星爆发产生的“银河喷泉”事件的重要信息。

除此之外,研究者们还在论文中推测，在银河系中心半径Rgal ≈ 15 kpc的范围内,中性氢原子在纤维状结构中的含量大致是恒等的，这个观察结果可能与中性氢气体的冷热相的质量比有关。但最终证明这一假设需要进一步对中性氢原子的相位进行表证。

“中性氢原子仍然携带着驱动扩散的气体原子凝聚成新恒星的动力学的关键信息。”研究者们称。