人马座星流的示意图 图片来源：UCLA
■记者 沈春蕾
当一颗恒星度过它漫长的青壮年期步入老年期时，它首先变为一颗红巨星。M巨星位于红巨星的顶端，外部由一个巨大的氢包层构成，半径甚至可以达到一个天文单位（约215太阳半径），巨大的半径使得它们具有很高的光度，即使在很远的距离也很容易被探测到。所以，M巨星是科研人员研究银河系外晕性质和结构的强有力工具。
来自中国科学院天文大科学研究中心和美国伦斯勒理工学院的联合科研团队，合作利用LAMOST DR4数据（郭守敬望远镜发布的第四批数据）中探测到的M巨星，结合Gaia DR2（欧空局盖亚空间天体测量卫星项目发布的第二批科学数据）提供的自行运动速度，在距太阳100kpc（1kpc=3260光年）远的空间，追踪到人马座星流，并第一次描绘出人马座星流精确的三维空间轨道分布。
该项研究成果近日发表在国际天文期刊《天体物理学报》上。
筛选约4万M巨星样本
论文第一作者、中科院天文大科学研究中心特聘青年研究员、上海天文台在职博士后李静在博士研究生阶段就开始致力于M巨星和银河系子结构的研究。她告诉《中国科学报》：“M巨星是非常好的探测银河系晕结构样本，在过去的研究中，大样本的M巨星基本都是测光样本，换句话说只知道M巨星的位置和距离信息。”
LAMOST数据发布以后，李静和上海天文台副研究员钟靖一直致力于在LAMOST数据中组建大样本的M巨星样本。“从LAMOST数据第1次释放到第5次释放，我们总共筛选了4万左右的M巨星样本。这是目前全世界最大的M巨星光谱样本，不仅有利于M巨星光谱库的研究，同时也提供了银河系结构研究样本。”
2016年，李静通过DR1样本中挑选的M巨星和M矮星，第一次提出了利用红外和近红外颜色的办法从测光样本中挑选M巨星，提高了M巨星测光样本挑选的完备性，也降低了样本的污染率。此外， 李静等人利用这些M巨星样本对人马座星流进行了研究，并且第一次在能量角动量空间对该星流进行了分析，展示了星流导臂和曳臂能量角动量的差异。
然而，首次的创新并不是一下子就做出来的。李静回忆道：“每个阶段我们都遇到了不同的问题。在2015、2016年，我们遇到的最大问题是如何将M巨星和矮星区分开来。由于对M巨星光谱的研究文献比较少，我们能够参考的资料也偏少。在研究早期，我们花了较多的时间，通过各种尝试后发现结合谱线特征，加上红外和近红外颜色的方法可以很好地将M巨星和矮星区别开来。”
李静感谢为这项研究提供支持的相关研究人员。中国科学院国家天文台研究员刘超作为李静的博士后导师，是该课题的提出者，起到关键推动作用；国家天文台研究员薛香香协助计算了人马座星流的三维轨道参数以及动力学讨论；美国伦斯勒理工学院博士Jake Weiss作为人马座星流方面的专家，在研究过程中提了很多宝贵建议。
搜寻人马座星流成员星
李静指出：“我们之所以可以实现首次精确测量，得益于LAMOST提供的海量光谱数据。大量的人马座星流成员星不仅有空间位置信息，还有视向速度信息，Gaia DR2 精确的自行运动数据，也为我们提供了完美的计算三维空间速度的条件。”
人马座星流是人马座矮星系受到银河系强大的潮汐作用力瓦解而留下的痕迹。由于这次潮汐瓦解事件是最近几十亿年刚刚发生的，因此它的结构在空间中异常显著，就像一条炫舞九天的赤焰飞龙，由南向北跨过整个银河系。
此前，也有一些科研团队开展过人马座星流研究，研究大致可分为两类：一类是用测光样本，探寻人马座星流的成员星，比较著名的工作包括2003年美国弗吉尼亚大学教授Majewski团队开展的工作，他们从2MASS（近红外测光巡天项目）巡天样本中，第一次勾勒出了全天人马座星流的分布，并且做了一些跟踪的高分辨率光谱成员星观测；一类是美国伦斯勒理工学院教授Newberg带领的团队和英国剑桥大学教授Belokurov团队利用SDSS（斯隆数字化巡天项目）继续探寻人马座星流。
“然而，由于缺少速度信息，我们并不知道人马座星流在空间的轨道走势。这期间，有各种模型试图模拟出人马座星流的轨道分布，但是都不能真实还原该星流的轨道分布。”李静说。
目前，李静等人对于人马座星流开展的新研究是，在更多的恒星样本中搜寻人马座星流成员星，特别是LAMOST 数据中的K巨星。“我们探寻到的成员星样本已经超过了3000颗，是目前最大的成员星样本。”李静等人通过这个样本继续深入研究该星流的化学丰度分布，包括金属丰度和其他元素丰度，这些信息将有利于进一步探寻和了解人马座星流的前身天体——人马座矮星系。
李静介绍了下一步工作，“我们还将利用这些真实观测到的成员星样本来限制人马座星流的模型，从而更加准确地估计银河系引力势的大小，更加真实地还原银河系和矮星系的吸积并合历史。”
相关论文信息：DOI：10.3847/1538-4357/ab09ef