古尔德带：银河系中心的一个爆炸性气泡

科学摘要

本文介绍了古尔德带，它是银河系的一个局部结构，年龄约为6000万年，由气体和年轻恒星组成，相对于银道面倾斜18°。直径约为3,000光年，它很可能诞生于一次超超新星（相当于10颗超新星），产生了包含240,000倍太阳质量的圆形激波。依巴谷卫星（1989–1993年）的数据通过区分年轻的大质量恒星（O型和B型）与较老恒星，绘制了该结构的图谱。古尔德带是一个活跃的恒星形成区域，预计在未来几百万年内将发生约300到400颗超新星。

什么是古尔德带，它的起源是什么？

古尔德带是银河系的一个局部结构，由天文学家本杰明·古尔德于1879年发现。它是一个气体和年轻恒星的环，年龄约为6000万年，直径3,000光年，相对于银道面倾斜18°。这种倾斜解释了为什么从地球上看银河系似乎是弯曲的：富含明亮近距恒星的古尔德带叠加在背景星系之上。它的形成可能源于一次巨型超超新星（相当于10颗超新星），产生了包含240,000倍太阳质量的圆形激波，并因星际气体密度的变化而变形为一个倾斜的椭圆环。依巴谷卫星（1989–1993年）的数据通过区分两种恒星族群，精确绘制了该结构的图谱：形成环的年轻大质量恒星（O型和B型，年龄小于4000万年）和均匀分布的较老恒星（A型和F型）。目前，太阳正在穿过这个带，这是一个超新星特别丰富的区域：估计在未来几百万年内，该带的边缘还将有约300到400颗超新星爆发，平均每40,000年一颗。

银河系的大型气体气泡

什么是古尔德带？

古尔德带以本杰明·古尔德（1824-1896）的名字命名，他于1879年发现了它，是我们银河系的一个年轻结构，年龄约为6000万年。实际上，它是一个直径3,000光年的“小气泡”，由气体和恒星组成，位于我们非常近的银河环境中，太阳系正穿越其中。

难以测绘的星系中的倾斜结构

古尔德带相对于银河系平面倾斜约18度。我们居住在一个直径约100,000光年的旋涡星系中，但要测绘其结构非常困难，因为我们身处其中，这解释了现有旋臂数量甚至其命名存在的不确定性。

银河系的旋臂与我们的位置

从地球上看得很清楚的是银河系连续的白色带，但这个星系实际上是由旋臂构成的：红外观测（斯皮策巡天）如今表明存在两条主要的恒星旋臂，即盾牌-半人马臂和英仙臂，并辅以较小的旋臂或气体“ spur”，包括人马臂和猎户臂。其总质量仍有争议，最近的估计范围从约2000亿到1.5万亿倍太阳质量不等，具体取决于所用的方法。我们的太阳以约220-230公里/秒的速度运行，距离银河系中心约27,200光年，位于猎户臂，即太阳系所在的这个局部 spur 中。以这个速度，它需要大约2.25亿到2.5亿年才能完成一次公转。
古尔德带包含许多年轻、炽热的恒星；它可能构成了太阳所属的局部旋臂胚胎的一部分。星系的这个小型局部结构是我们的“游乐场”：正是这个由分子云和明亮年轻恒星组成的环，遮蔽了我们观测银河系的背景。这个区域在银河系前方形成了一个明亮的棒状结构，从南半球尤其可见；这个棒相对于银河系是倾斜的，赋予银河系一种弯曲的形状。

为什么我们在夜空中看到一条弯曲的带？

当我们观察银河系时，我们主要看到一条相对于银道面倾斜的带，因为太阳附近的恒星非常明亮。因此，古尔德带在银河系上划出了一条大曲线，那里有许多非常活跃的恒星正在形成。

古尔德带的起源

依巴谷卫星与古尔德带的揭示

欧洲空间局的依巴谷卫星（HIgh Precision PARallax COllecting Satellite）于1989年至1993年间运行。在4年时间里，它测量了我们银河系中恒星的位置、视差和自行。依巴谷的数据使得这个模拟（右图）成为可能，从而凸显了古尔德带。

如果只拍摄距离太阳1500光年以内的银河系恒星，同时剔除小而老的恒星，古尔德带就会清晰地显现出来。

两类恒星，古尔德带的两种面貌

在上方的图像中，我们看到距离500秒差距（<1500光年）内所有邻近恒星的均匀分布，它们的质量大约与我们的太阳相当（如果拍摄所有恒星，无论远近，我们都会看到银河系绘制在其上）。保留了质量几乎与太阳相同、较为古老的A型和F型恒星；而在下方的图像中，保留了O型和B型恒星，它们比太阳质量大得多（7到20倍太阳质量），而且当然更年轻，年龄小于4000万年。古尔德带最亮的恒星分布在相对于银河系弯曲的带上，这正是本杰明·古尔德于1879年在南半球天空中发现的现象。因此，古尔德带是一个相对于银道面倾斜的气体环。

产生古尔德带的巨大爆炸是什么？

有几种方案正在研究中，但很可能是一次相当于10颗超新星的巨型超超新星产生了这道目前正在扫掠我们附近环境的激波。这道包含240,000倍太阳质量的圆形激波，很可能变形为一个椭圆环，并向银河系上方倾斜，因为气体的密度在上方比在银道面内要低。

无视银河引力的倾斜环

尽管银道面恒星的引力（倾向于将其拉回平面）存在，整个环还是发生了倾斜。这道约1000光年尺度的激波，数千万年来一直在搅动我们附近环境的星际介质。

位于未来超新星富集区中心的太阳

太阳目前正在穿越这个环，在环的周边，古尔德带的恒星形成气泡正在爆发。第一代大质量恒星已经作为超新星消失，并将它们的物质散布到我们的恒星环境中。在古尔德带的边缘，还有大约300到400颗超新星将在未来几百万年内爆发。统计上，每40,000年发生1次爆发，而我们正坐在前排观看这场“恒星烟花秀”，因为我们正在穿越一个超新星特别丰富的区域。

参考文献

常见问题：关于古尔德带的一切

古尔德带到底是什么？

古尔德带是银河系的一个局部结构，是一个约6000万年历史、直径3,000光年的气体和年轻恒星环。它相对于银河系平面倾斜约18度。这个结构由本杰明·古尔德于1879年发现，包含许多年轻、炽热的恒星（O型和B型），位于距离太阳1,500光年以内的我们的邻近银河环境中。

为什么古尔德带相对于银河系是倾斜的？

古尔德带18度的倾斜很可能源于其爆发性起源。一次巨型超超新星（相当于10颗超新星）产生了包含240,000倍太阳质量的圆形激波。这个波变形为一个椭圆环并向银道面上方倾斜，因为气体密度在平面上方比内部要低。银河系的引力倾向于将环拉回平面，但它已经持续了6000万年。

古尔德带是如何被发现和绘制的？

古尔德带于1879年被天文学家本杰明·古尔德通过视觉识别，他观察到南半球天空中形成弯曲带状的明亮恒星聚集。这个结构的精确绘制得益于依巴谷卫星（ESA，1989–1993年），它测量了数百万颗恒星的位置、视差和自行。通过只保留距离1,500光年以内的恒星，并区分年轻的大质量恒星（O型和B型）与较老恒星，古尔德带清晰地显示为一个倾斜的环。

古尔德带中的O/B型星和A/F型星有什么区别？

O型和B型星是年轻的（小于4000万年），非常大质量（7到20倍太阳质量），且非常明亮。它们构成了古尔德带可见的环。A型和F型星更古老，质量与太阳相当；它们在邻近空间中均匀分布，不构成任何特殊结构。对这两类恒星的区分揭示了古尔德带是一个年轻、动态的结构。

古尔德带可能的起源是什么？

古尔德带最可能的起源是一次巨型超超新星，即大约6000万年前发生的一次相当于10颗超新星合并的爆炸。这次爆炸产生了包含240,000倍太阳质量的圆形激波，扫荡了局部的星际介质。激波变形为一个倾斜的椭圆环，并在其路径上触发了新恒星的形成。这个区域今天仍然活跃，环的边缘有分子云和正在形成的恒星。

为什么古尔德带是研究超新星的重要区域？

古尔德带是一个活跃的恒星形成区域，诞生了许多大质量恒星（O型和B型）。这些恒星的寿命非常短（数百万年），并以超新星的形式终结。第一代大质量恒星已经爆发，在带的边缘还有大约300到400颗超新星将在未来几百万年内爆发。统计上，每40,000年发生一次爆发。目前正在穿越古尔德带的太阳，正处于观测这些现象的前排位置，这使得该区域成为研究超新星及其对星际介质影响的独特实验室。

古尔德带与银河系的旋臂有什么关系？

古尔德带是一个局部结构，位于猎户臂，即太阳系所在的螺旋小 spur 中。它可能是旋臂的一个胚胎或银河激波的遗迹。它不是银河系的主要旋臂之一（如盾牌-半人马臂或英仙臂），而是一个影响我们直接银河环境的气体和年轻恒星的局部气泡。它的倾斜和动力学使其成为理解星系中小尺度结构形成的首选研究对象。