自2023年以来，中国科学院紫金山天文台（以下简称：紫台）在银河系结构及高精度天体测量领域取得了一系列重要进展。这些研究成果不仅挑战了传统的银河系结构认知，还为理解宇宙的起源与演化提供了新的视角。
银河系结构一直是天文学研究的热点和难点。传统观点认为银河系具有四条从内到外的旋臂，例如由美国科学院院士Mark Reid教授提出的四旋臂模型。然而，2023年4月，紫台研究团队基于多波段高精度测量数据，首次提出了银河系是一个内部两旋臂、外部多旋臂的星系。
根据新模型，银河系与宇宙中高达82%的同类星系相似，而传统模型星系仅占约1%。这表明银河系并不特别。这对传统的银河系旋臂模型提出了重大挑战，并被国际媒体广泛报道，称“天文学家正在重绘银河系”。尽管如此，新的银河系模型仍需更多观测证据来支持。
1、获得美国甚长基线干涉阵长达122小时的观测时间
验证新旋臂模型的一个关键步骤是揭示银河系内部两旋臂的分叉点，这需要高精度地确定旋臂上天体的距离。2023年11月，紫台团队成功申请到美国甚长基线干涉阵（VLBA）122小时的观测时间，计划观测银河系远端（约4万光年）的8个大质量恒星形成区脉泽的视差（距离）和自行（运动）。这些脉泽可能位于银河系新模型预测的人马臂和英仙臂交叉点附近（图1左图），将为揭示银河系远端旋臂结构提供关键数据。PI为紫台博士后林泽昊。这是中国科研人员单次获得最多的VLBA时间。评审专家指出：“该观测申请是令人信服的科学案例，为研究银河系结构提供了一种宝贵的途径和一套清晰的方法。”
图1. 左：新的银河系旋臂模型，白色方框为新的观测申请瞄准的区域。右：新的脉泽三角视差表明人马臂可能与英仙臂合并。
2、更多新观测证据支持新银河系模型
2024年5月，紫台团队经过长达6年的观测和数据处理，通过分析“贝塞尔”项目中64个历元的VLBA观测数据，成功获得了4个位于银河系人马臂远端（约3万光年）的脉泽的视差，解决了这些源长期以来的距离不确定性。更重要的是，研究发现人马臂可能与英仙臂合并（图1右图），为新的银河系模型提供了有力的观测证据。该工作发表在国际天文期刊《Astronomical Journal》。第一作者为紫台博士后卞帅博，银河系四旋臂模型的权威Mark Reid教授也是该工作的合作者之一。
最新的其他研究也为新旋臂模型提供了支持。例如，Guerrette等人（2024）发现银河系的许多结构参数在宇宙中是普通的，支持银河系是一个普通星系。Nakanishi等人（2024）利用日本VERA对外银盘水脉泽的测量，构建了银河系的旋转曲线，发现2旋臂和4旋臂分别在银河系内部和外部占主导地位。这进一步支持了银河系是内部两旋臂、外部多旋臂的形态。
图2. 能够与SKA组成阵列的望远镜位置分布。
3、SKA-VLBI天体测量前景
2024年6月，紫台团队在国际天文期刊《Research in Astronomy and Astrophysics》发表综述阐述了SKA-VLBI的天体测量科学，填补了SKA在天体测量领域的空白，被审稿人评价为“SKA-VLBI科学案例的前瞻性总结”。该项工作第一作者为紫台副研究员李英杰博士。
未来的SKA-VLBI（图2）将达到或好于2微角秒的视差测量精度，其灵敏度将达到微央斯基，而且能覆盖广泛的天空范围。这将能够精确测量银河系远端的旋臂结构，不仅验证新的银河系模型，还能揭示旋臂的三维运动和演化。此外，SKA-VLBI的高精度天体测量有望革命性地解决许多天文学和物理学基本问题。例如，恒星（单星、双星与多星）形成、结构与演化，黑洞、中子星等致密星物理，星系（星系团）形成与演化，宇宙哈勃膨胀，独立于宇宙学距离阶梯的几何测距标尺，以及引力理论检验与应用。
紫台在银河系结构及高精度天体测量领域的突破，不仅挑战了传统的银河系认知，还为未来研究奠定坚实基础。这些成果具有重要的科学意义，将进一步推动我们对宇宙的理解。
系列进展得到国家自然科学基金重点项目，国家自然科学基金青年项目等资助。
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