觀測上的盤星系相對于天空平面在一定程度上都是傾斜的。為了研究其中普遍存在的棒結(jié)構(gòu)，天文學(xué)家通常將直接測量到的傾斜的棒通過投影改正（deprojection）盡量還原其正向的本來面貌。這種投影改正方法已經(jīng)被廣泛使用，但是其可靠性尚未有過系統(tǒng)的研究。近日，中國科學(xué)院上海天文臺研究生鄒燕飛在沈俊太研究員和李兆聿助理研究員的指導(dǎo)下，首次通過分析數(shù)值模擬中的棒旋星系的棒的性質(zhì)，對這種投影改正方法存在的不確定性進行了探討。他們發(fā)現(xiàn)：星系盤的傾角越大，投影改正還原正面圖像帶來的不確定性更大；當(dāng)盤的傾角大于60度時，所有的投影改正方法都不能可靠地還原棒的本征屬性。該團組確認了棒垂直方向上的厚度是該不確定性的主要來源，并建議未來對星系棒的性質(zhì)的統(tǒng)計研究應(yīng)扣除傾角大于60度的盤星系。該工作已經(jīng)發(fā)表在最新一期的國際核心期刊《天體物理雜志》上。
瀏覽哈勃空間望遠鏡提供的精美星系圖片時，我們不難發(fā)現(xiàn)星系形態(tài)種類很多。根據(jù)哈勃分類方法，星系分類成橢圓星系、旋渦星系、棒旋星系、透鏡星系和不規(guī)則星系等。不少盤星系中能看到棒狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)觀測研究，存在棒的星系能占全部星系的50%-65%。
棒旋星系示例
盤星系中普遍存在的棒，對星系的外貌和更內(nèi)在的成長過程有怎樣的影響呢？天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，棒就像西游記中孫悟空的金箍棒一樣，能重新分布星系盤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)動性質(zhì)（角動量）和能量，影響著星系外貌形態(tài)的長期演化。棒同樣對星系盤上的化學(xué)分布施加影響，使其更加平滑。幾乎每個星系中心都擁有一個大質(zhì)量黑洞。在有棒的星系中，棒還能驅(qū)動盤中的氣體向星系中心聚集，甚至可能促發(fā)黑洞的活動性（氣體運動到中心區(qū)域而被黑洞吃掉），盡管對于棒是否能促發(fā)黑洞的活動性這一觀點還存在一些爭議。
“了解棒，我們就能更好地了解星系形態(tài)的外在和內(nèi)在，從而對星系的成長有更深入的認識。在不同的盤星系中棒的強度是不一樣的。”文章的第一作者鄒燕飛解釋道，“因為觀測上天文同行們發(fā)現(xiàn)更長、橢率更高的星系具有的棒的強度也更高。因此在我們的工作中，我們也主要是通過棒的長度和棒的橢率來表示棒的強度。”
真實的星系相對于天空平面都是有一定傾角的。觀測上，天文學(xué)家通常將有傾角的棒通過投影改正盡量還原其面向我們的面貌。這種投影改正方法已經(jīng)被廣泛使用。“但是，之前的大部分工作忽略了投影改正的不確定性，因為星系中的棒具有傾角，即使投影還原之后，我們?nèi)匀徊恢浪欠窨煽�，最重要的問題在于你無法看到其正面的圖像。”文章的第三作者李兆聿補充道。
在2012年，李兆聿就通過對沈俊太研究員此前發(fā)表的銀河系核球模型的細致分析，發(fā)現(xiàn)銀河系核球區(qū)存在一個奇特的垂向X型結(jié)構(gòu)，并對其作出動力學(xué)解釋。在該團組的這次工作中，沈俊太研究員指導(dǎo)研究生鄒燕飛創(chuàng)新地使用了研究觀測數(shù)據(jù)的方法來探索數(shù)值模擬，目的是評估投影改正方法的不確定性，并理解來不確定性的主要原因是什么。數(shù)值模擬數(shù)據(jù)最大的優(yōu)勢，在于可控性很強。你可以知道一個棒旋星系360度的全貌圖。打個比方，你有個棒旋星系，你可以把它轉(zhuǎn)到盤正對你的方向，看看它是什么樣子，稱它為‘參考標(biāo)準(zhǔn)’。然后，你把它轉(zhuǎn)到其他角度，再使用投影改正方法還原其正面相貌，把它與‘參考標(biāo)準(zhǔn)’對比，就知道投影改正方法有多可靠了。當(dāng)然這種研究上的比較，不是簡單的看看圖是否相同，而是需要一個量化的參量，也就是棒的主要特征參數(shù)：長度和橢率。
鄒燕飛分別選取了沈俊太研究員此前發(fā)表的銀河系核球模型和合作者Jerry Sellwood（Rutgers University）提供的盤星系模型，并截取各自模擬中系統(tǒng)演化至18億年和24億年時的星系圖像。從兩個模型得到的圖像中，類似于旋臂、棒的特征與真實的棒旋星系較接近，與其他同行的數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)也一致，因此具有足夠的代表性。針對這兩組從模擬中獲得的棒旋星系圖像，該團組使用了目前常用的多種投影還原方法，包括一維的解析投影改正、二維的解析投影改正、基于整體亮度守恒假設(shè)的圖像拉長投影改正和基于傅里葉方法的投影改正。所謂解析投影改正，假設(shè)棒從正面看是一個無限薄的橢圓，那么就可以根據(jù)幾何解析方法從你真實看到的（在一定盤傾角下的棒）改正至正向的結(jié)果。而圖像拉長投影改正，更形象地表達是，對于一個傾斜的盤，假設(shè)星系的整體亮度守恒，對星系的圖像進行上下、左右的拉伸，從而達到改正至正向的效果，就如同下圖展示的這樣：
展示圖：基于整體亮度守恒假設(shè)的圖像拉長投影改正
通過對這些方法得到的正向改正圖像進行測定棒的星系，并與模擬提供的“真實”棒的正向圖像結(jié)果進行比較，確定各種投影改正方法的可靠性。他們發(fā)現(xiàn)：相對來說，一維的解析投影改正帶來的不確定程度最大。這點也不難理解，它對于棒結(jié)構(gòu)的假設(shè)——“棒就是一根線段”是太簡單了。如愛因斯坦所說，模型應(yīng)該盡量簡單而不是更加簡單。隨著盤傾角的增加，各種方法帶來的不確定程度都在變大。當(dāng)盤的傾角大于60度時，所有的投影研究方法都不能可靠地還原棒的正面性質(zhì)。沈俊太研究員最后總結(jié)說：“棒的豎直方向上厚度是不確定性的主要來源，未來對星系棒的性質(zhì)的統(tǒng)計巡天研究都應(yīng)扣除盤傾角大于60度的盤星系。”
