臺北市立天文科學教育館

 圖說：超級電腦ATERUI II最新的運算結果，模擬一個與我們銀河系相似的螺旋星系，可以觀察到星系中心的棒狀結構。圖片來源：日本國立天文台
 

這狀觀的星系是我們的銀河系！不過這並非真實拍到的照片，而是來自於日本國立天文台(NAOJ)的超級電腦ATERUI II最新的模擬結果，你更可以觀賞精彩的模擬星系自轉影片，雖然影片中星系的自轉看似非常快速，但其實影片中的每一秒鐘相當約一億年的時間！藉由超級電腦產出的模擬結果，天文學家可以和現在，甚至是未來的太空望遠鏡觀測結果相比較，將會進一步闡明我們銀河系的構造和演化。

受限於我們所有的天文觀測位置都只能在太陽系之內，天文學家將實際觀測影像與模擬結果比對，對我們的銀河系已經有相當的了解。我們知道銀河系是一個外觀是盤狀的螺旋星系，有2條或4條的旋臂，而在中心區域則有一個棒狀結構與外圍的旋臂連結。而在中心區域附近、棒狀結構比較厚的地方還有一個像花生狀的隆起，在銀河中心區域的上下兩側還有另一個稱為「核球」狀隆起的構造。由觀測結果發現，有些螺旋星系也具有類似的兩種隆起構造。

 

圖說：銀河系中心的棒狀構造。圖片來源：日本國立天文台天文物理計算中心CfCA

就像吃了太多的人會在意自己肚子是不是隆起來了，天文學家也很好奇銀河系的中心區域為什麼有兩種不同的隆起。為了回答這個問題，日本國立天文台的馬場淳一與他的團隊使用了當今在天文模擬最強的的超級電腦ATERUI II來模擬，這也是當今最完整、最精確的模擬結果，不僅包括銀河系中的恆星、星際雲氣與暗物質，還詳細考慮氣體中新恆星的誕生和超新星的死亡造成的影響。

目前的研究顯示，在星系中心的棒狀結構有助於將氣體導引至星系的中心部分，並且觸發新的恆星誕生。因此可以假設銀河中心的核球就是由這些誕生在此處的新恆星所產生的構造。但超級電腦的模擬卻不支持這種假設，由於棒狀結構導引氣體太過有效，在核球之外的棒狀位置幾乎沒有新的恆星誕生，因此導引氣體並不是棒狀位置產生第二處花生狀隆起的原因。研究團隊發現，這種花生狀隆起的結構反而是一部分恆星受到重力作用改變軌道至銀河盤面的上方和下方所產生的。

 

圖說：超級電腦模擬螺旋星系中的棒狀結構如何產生，由左至右分別為10億年、15億年、25億年與35億年。圖片來源：日本國立天文台天文物理計算中心CfCA
 

這個模擬結果最令天文學家興奮的，就是它是有機會藉由觀測驗證的。由於模式顯示棒狀構造中的花生狀隆起並不是新生恆星造成的，這些恆星一定是早在棒狀結構出現前就已經誕生了。而在棒狀結構出現後，氣體的傳輸觸發了核球區域的新生恆星，因此花生狀隆起的恆星將比核球區域的恆星更加年老，比較兩者將可以判斷銀河系中心的棒狀結構出現的時間點。詳細研究結果可以參考論文(馬場淳一等，2022)。

藉由歐洲太空總署的GAIA任務和日本未來的JASMINE計畫所得到的銀河系中巨量的恆星精確年齡與運動的資料，天文學家將有機會驗證這項模擬結果是否正確，更有機會確認銀河系中心棒狀結構的形成年齡。（編譯／謝翔宇）