哈勃測定LMC的3D自轉速率

LMC的3D運動的示意圖，箭頭表示700萬年後群星的預測位置。大圖：2.2MB，版權：NASA，ESA，STScI；研究者團隊，下同。藉助美國宇航局（NASA）的哈勃太空望遠鏡的超級解析度，一個國際天文學團隊首次通過測量單個星系中恆星的時鐘樣運動速率，分析計算出星系的自轉速度。根據他們的分析，我們的鄰居星系——大麥哲倫星系（LMC）中心區域自轉一周需要2.50億年。巧合的是，這與我們太陽系繞銀河系核心旋轉一周所花的時間竟然相同！由馬里蘭州巴爾的摩市太空望遠鏡科研所（STScI）的Roeland van der Marel和夏洛特斯威爾市弗吉尼亞州立大學的Nitya Kallivayalil組成的哈勃團隊，測量了17萬光年外LMC中上百顆單個恆星的運動速度。哈勃記錄了7年間這些恆星的微小移動。像銀河系和大麥哲倫星系這樣擁有星系盤的星系，通常像旋轉木馬這樣自轉。哈勃通過精確跟蹤天空中一個面上恆星的側向運動，確定星系的自轉。長期以來，天文學家已經測量了（銀河系中）很多近鄰天體的側向運動（自行），但這是首次使用該方法精確測量一個遙遠星系的自轉。在上個世紀，天文學家通過觀測星系中恆星的光譜確定星系的自轉——基於多普勒效應。在旋轉星系盤的一邊，它們朝向地球運動，因此星光藍移（相當於光波被壓縮）；而另一邊恆星遠離地球運動，星光紅移（光波被拉伸）。

PDF插圖，根據光譜觀測繪製的，LMC在視線方向的運動。組合先前測量的多普勒運動和哈勃新測量的恆星自行，就能獲得LMC真實的旋轉速度。根據組合結果，哈勃團隊首次獲得了另一個星系中恆星完整的立體運動數據。研究報告的首席作者范?德?邁爾（van der Marel）介紹說：「只測量一個星系相對於我們的即時前進或後退速度，並不能看到它的真實旋轉。通過哈勃數據研究恆星7年來的自行運動，我們首次看到了星系在天空中的真實運動。」 研究報告發表在2014.2.1出版的《天體物理學》上。領導了團隊數據分析的Kallivayalil，補充道：「研究鄰近星系中恆星的運動，能讓我們更好地了解星系盤的內部結構。知道星系的旋轉速度，我們能夠分析星系的質量，以及它是如何形成的。」能夠完成如此觀測成就，哈勃是唯一的望遠鏡。因為它的圖像解析度、它的超級穩定性，因為它已經在太空中運行了24年。Marel說明了哈勃圖像的超級精度：「假如月球上有一個人，哈勃圖像能夠顯示出（這麼多年來）他的頭髮是如何變長的。」Marel接著說：「哈勃的精度非常重要，因為星系離我們很遠，恆星的自行運動顯得極為微小。我們可以把LMC想像為天上的一個巨型鐘錶，錶針轉一圈需要2.50億年。我們知道錶針在走，但是既使在哈勃圖像上，我們也需要好多年才看得出細微的移動。」

LMC自轉的效果示意圖，上圖是當前的，下圖是0.14億年後的。

研究團隊使用哈勃的第三代廣域相機（WFC3）和高級巡天相機（ACS），觀測了大麥哲倫星系（LMC）巨大盤面上22個區域的恆星運動。（LMC）位於南天，有20個滿月的角直徑那麼大。根據哈勃的精細測量，圖像中標出了700萬年後那些恆星的預測位置。每個被選中的觀測區域，不但包含數十顆LMC的恆星，還包含一個遙遠的背景類星體。類星體是極為遙遠的活動星系核，超級黑洞驅動星系的核心發出強光。天文學家需要類星體作為固定的參考點，測量LMC中恆星極為微小的運動。本次測量是持續多年的、全球各個團隊使用哈勃數據精鍊LMC的自轉速度的活動高潮。自從2002年起，Marel團隊就開始詳細分析、預測星系的自轉，現在通過哈勃的觀測，預測看起來確認了。Marel繼續說：「因為LMC離我們銀河系非常近，它顯得極為重要。研究銀河系很難，因為我們本身就在銀河系中，它散布在整個天空，研究對象有不同的距離。而從外部觀測一個鄰近星系的結構和旋轉，就相對容易多了。」Kallivayalil總結道：「因為LMC非常近，它成為研究恆星成員、演化的標準星系。所以，了解它的結構和運動也非常重要。我們測量它的自轉所用的全三維（3D）技術，是闡明星繫結構的新方法。它開啟了我們了解星系中恆星運動的新窗口。」除了自身的旋轉外，LMC還繞銀河系公轉。在不久前的研究報告中，研究團隊指出LMC的公轉速度超過了以前的估測。這項研究修正了我們此前對這個鄰居的知識：LMC過去何時遇到銀河系的，它們的相互作用有多久了。團隊下一步計劃使用相同的技術，使用哈勃數據測量LMC的小兄弟——小麥哲倫星系（SMC）中恆星的自行。這兩個星系相互作用，這些研究將能改進我們對兩個星系互相繞轉以及它們繞銀河系旋轉的認識。譯註：1、哈勃圖像上的恆星移動，實際上遠遠小於一個像素，是通過高級圖像分析技術確定其移動距離和方向的。2、大家可能沒有想到，LMC會有20個月面這麼大。但這是望遠鏡中看到的大小，就像題圖中所繪製的那樣，比通常肉眼所見大得多。哈勃的精細觀測天區非常小（所以才能看得清晰精確），相對來說LMC的盤面確實極為龐大。
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