150個銀河系球狀星團(tuán)的空間分布研究

李茂材，李忠木

（大理學(xué)院天文與科技史研究所，云南大理 671003）

150個銀河系球狀星團(tuán)的空間分布研究

李茂材，李忠木

（大理學(xué)院天文與科技史研究所，云南大理 671003）

采用銀河系中150個球狀星團(tuán)作為樣本，對其在銀心坐標(biāo)系中的空間分布特征進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明：①樣本中94%的球狀星團(tuán)分布在銀緯-50°～+50°之間，銀緯+50°～+70°度之間和銀緯-50°～-70°之間幾乎沒有球狀星團(tuán)；②樣本星團(tuán)相對經(jīng)緯度而言分布不均勻，分別在銀經(jīng)10°和350°處出現(xiàn)了兩個分布峰值；③樣本中距銀心最近的球狀星團(tuán)的銀心距為0.68kpc，最遠(yuǎn)銀心距為123.33kpc，68.7%的樣本球狀星團(tuán)分布在距銀心10kpc以內(nèi)，樣本星團(tuán)相對銀心呈球?qū)ΨQ分布。

銀河系；球狀星團(tuán)；空間分布

0 引言

銀河系〔1-4〕是人類賴以生存的星系，又是觀測數(shù)據(jù)最豐富，現(xiàn)代科技研究最多、最成熟的星系。它由球狀星團(tuán)、疏散星團(tuán)以及其它物質(zhì)構(gòu)成。而球狀星團(tuán)〔5〕又是銀河系中最引人注目的恒星集團(tuán)，它巨大的成員恒星數(shù)量、古老的年齡、同時同地形成等特點使其成為研究恒星形成、演化及動力學(xué)特征的理想“實驗室”。因此，銀河系球狀星團(tuán)的研究對理解星系的形成演化和基本物理過程等問題有重要的意義。據(jù)統(tǒng)計估計，銀河系有約500多個球狀星團(tuán)，至今已發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確觀測150多個球狀星團(tuán)。文章選取了其中150個球狀星團(tuán)為樣本〔6〕，對其在銀河系中的空間位置分布特征進(jìn)行了研究。

1 球狀星團(tuán)樣本資料

1.1 樣本數(shù)據(jù)來源 1996年Harris〔7〕給出了《銀河系球狀星團(tuán)數(shù)據(jù)總表》，隨后，1999年Harris〔8〕對1996年的銀河系球狀星團(tuán)總表進(jìn)行了修訂，并發(fā)表了《銀河系球狀星團(tuán)參數(shù)表》（網(wǎng)絡(luò)版），表中給出了銀河系中147個已知球狀星團(tuán)以2000.0為歷元的基本參數(shù)。2003年Harris〔6〕再次對銀河系球狀星團(tuán)參數(shù)表進(jìn)行了修訂，又公布了修訂后新的參數(shù)表（網(wǎng)絡(luò)版），表中列出了150個以2000.0為歷元的球狀星團(tuán)的基本參數(shù)，為球狀星團(tuán)的深入研究提供了可靠依據(jù)。本文以Harris2003年（網(wǎng)絡(luò)版）的最新數(shù)據(jù)為樣本，對銀河系中球狀星團(tuán)的空間分布進(jìn)行了深入研究。樣本球狀星團(tuán)的觀測數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)〔6〕。

1.2 樣本數(shù)據(jù)處理的基本約定 ①歷元：文章所用的坐標(biāo)和參數(shù)都對應(yīng)于歷元2000.0〔9〕；②銀心銀道直角坐標(biāo)系：為了確定樣本星團(tuán)在銀河系中的空間位置，選取左手坐標(biāo)系O-XYZ為銀心銀道直角坐標(biāo)系，如圖1。其中，X-Y平面為銀道面，X軸以銀心指向日心方向為正，Y軸的正方向為銀河系自轉(zhuǎn)方向，按左手法則，Z軸指向北銀極為正。分別用X，Y，Z表示球狀星團(tuán)在銀心銀道直角坐標(biāo)系中的位置沿坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸的分量；③太陽在銀心銀道直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置為：X=8.5kpc，Y=0kpc，Z=0kpc；④北銀極在日心赤道直角坐標(biāo)系中的位置為：αNGP= 12h51m34s.15，δNGP=26°51′23″.18，θ0=123°0′0″。其中，θ0是過北天極的大圓與通過北銀極和零銀經(jīng)點的大圓之間的夾角〔10〕。

圖1 銀心銀道直角坐標(biāo)系

1.3 樣本球狀星團(tuán)在銀心銀道坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)和銀心距離的換算 為了得到各樣本球狀星團(tuán)在銀心銀道坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)和銀心距離，需對樣本球狀星團(tuán)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行換算處理。這是一個由日心赤道直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為銀心銀道直角坐標(biāo)系的過程，具體換算公式〔10〕見公式（1）、（2）所示：

其中，X，Y，Z分別表示球狀星團(tuán)在銀心銀道直角坐標(biāo)系中的三個分量；L和B分別表示樣本球狀星團(tuán)的銀經(jīng)和銀緯，各球狀星團(tuán)的銀經(jīng)和銀緯觀測值見文獻(xiàn)〔6〕；R⊙表示日心赤道直角坐標(biāo)系中的日心距離；Rgc示銀心銀道坐標(biāo)系中的銀心距離。

經(jīng)換算后，樣本球狀星團(tuán)在銀心銀道直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置和銀心距離等參數(shù)列在表1中。

表1 樣本球狀星團(tuán)在銀心銀道直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置和銀心距離/kpc

續(xù)表1

2 分析討論

2.1 銀河系球狀星團(tuán)的二維分布研究 由文獻(xiàn)〔6〕中球狀星團(tuán)銀經(jīng)、銀緯的經(jīng)緯度值繪制得到150個球狀星團(tuán)在銀河系中的銀經(jīng)銀緯位置分布圖，見圖2。

圖2 樣本球狀星團(tuán)隨銀經(jīng)，銀緯位置分布圖

根據(jù)圖2可知：①樣本球狀星團(tuán)不均勻地分布在銀河系中不同的經(jīng)緯度位置，高緯度和低緯度區(qū)域分布較少，94%的球狀星團(tuán)分布在銀緯－50°～+50°之間，但明顯地顯示分布在兩個集中區(qū)域，它們分別是銀經(jīng)0°～60°，銀緯－30°～+30°之間，簡稱Ⅰ區(qū)域；銀經(jīng)300°～360°，銀緯－30°～+30°之間，簡稱Ⅱ區(qū)域。②兩個球狀星團(tuán)集中分布的區(qū)域中，Ⅰ區(qū)域要比Ⅱ區(qū)域分布密度大，Ⅰ區(qū)域分布有59個球狀星團(tuán)，Ⅱ區(qū)域分布有48個球狀星團(tuán)；尤其值得注意的是，在銀緯+50°～+70°度之間出現(xiàn)了球狀星團(tuán)真空帶，是沒有觀測到呢，還是在這一帶中確實不存在球狀星團(tuán)；還有，在銀緯－50°～－70°之間也只分布有兩個球狀星團(tuán)，分別是NGC7492和NGC1261。為什么在此緯度范圍中很少或沒有球狀星團(tuán)，是個值得關(guān)注的問題。

根據(jù)樣本球狀星團(tuán)的銀經(jīng)和銀緯度分布情況繪制了球狀星團(tuán)隨銀經(jīng)度的數(shù)量分布直方圖和球狀星團(tuán)隨銀緯度的數(shù)量分布直方圖，分別如圖3、圖4所示。

圖3顯示，球狀星團(tuán)主要集中分布在銀經(jīng)0°～75°和230°～360°之間，分別在銀經(jīng)10°和350°出現(xiàn)了兩個分布峰值，此兩峰值直觀地顯示了本文2.1中所闡述的兩個集中分布區(qū)域的分布密度大小。圖4則說明，球狀星團(tuán)主要分布在銀緯－50°～+50°的條帶上面。在此條帶以外，只有9個球狀星團(tuán)，只占樣本球狀星團(tuán)的6%。

圖3 樣本球狀星團(tuán)數(shù)量隨銀經(jīng)位置分布圖

圖4 樣本球狀星團(tuán)數(shù)量隨銀緯位置分布圖

2.2 球狀星團(tuán)的三維分布研究 按照Zinn〔11〕和Armondroff〔12〕對銀河系球狀星團(tuán)的研究結(jié)果，他們把銀河系球狀星團(tuán)分為暈族和盤族兩類球狀星團(tuán)子系，其中暈族球狀星團(tuán)子系在空間分布呈球型，性質(zhì)類似于暈族場星，而盤族球狀星團(tuán)子系的性質(zhì)類似于盤族場星，這些結(jié)論已被大量觀測和理論所證實。此外，觀測表明，球狀星團(tuán)沿徑向數(shù)密度分布按照ρ∝R－3.5gc的規(guī)律變化〔5〕。所以，大部分球狀星團(tuán)，特別是暈族星團(tuán)，分布在銀心距10kpc以內(nèi)，并且相對于星系中心呈球?qū)ΨQ分布。

根據(jù)表1球狀星團(tuán)的銀心坐標(biāo)系分量，繪制了樣本球狀星團(tuán)的三維空間分布圖，如圖5所示。圖示表明，樣本星團(tuán)相對于銀心呈球?qū)ΨQ分布的特點，而且集中在銀盤附近，有占樣本68.7%的球狀星團(tuán)集中分布在距離銀心10kpc以內(nèi)，此結(jié)果與Zinn等人〔11－12〕的結(jié)論一致，即樣本中大部分球狀星團(tuán)距銀心較近。

2.3 球狀星團(tuán)隨銀心距離的分布研究 仔細(xì)分析表1銀心距數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)球狀星團(tuán)都集中分布在銀心附近。距銀心最近的球狀星團(tuán)編號為Terzan2，銀心距為0.68kpc，最遠(yuǎn)的球狀星團(tuán)編號為AM1，距離銀心123.33kpc，圖6給出球狀星團(tuán)數(shù)量隨銀心距離分布直方圖。經(jīng)統(tǒng)計，有103個球狀星團(tuán)集中分布在距離銀心10kpc以內(nèi)，占樣本68.7%，這與Zinn和Armondroff的研究結(jié)果一致，見本文2.2所述，由此可初步判斷這103個球狀星團(tuán)屬暈族星團(tuán)；若從銀心延伸到30kpc以內(nèi)統(tǒng)計，則有140個球狀星團(tuán)集中分布在此范圍內(nèi)，占樣本球狀星團(tuán)的93.3%；30kpc到125kpc這么大尺度范圍只有10個星團(tuán)，僅占樣本的6.7%，特別在距銀心40kpc到65kpc和70kpc到90kpc之間沒有球狀星團(tuán)，出現(xiàn)了兩道寬度約為20kpc的“裂口”，此結(jié)果與文獻(xiàn)〔5〕中林清等人所闡述的情況一致。

圖5 樣本球狀星團(tuán)在銀心坐標(biāo)系中的三維空間分布圖

圖6 球狀星團(tuán)數(shù)量隨銀心距離分布圖

3 結(jié)論

采用Harris2003年公布的《銀河系球狀星團(tuán)參數(shù)表》（網(wǎng)絡(luò)版）中150個球狀星團(tuán)作為樣本，歸算得出了各樣本球狀星團(tuán)在銀心坐標(biāo)系中的空間位置和銀心距離，并對其進(jìn)行深入研究。結(jié)果表明：①94%的球狀星團(tuán)分布在銀緯－50°～+50°之間，銀緯+50°～+70°度之間和銀緯－50°～－70°之間幾乎沒有球狀星團(tuán)；②球狀星團(tuán)相對集中分布在文中所述Ⅰ、Ⅱ兩個區(qū)域中，分別在銀經(jīng)10°和350°出現(xiàn)了兩個分布峰值；③樣本球狀星團(tuán)中，最近球狀星團(tuán)的銀心距為0.68kpc，最遠(yuǎn)球狀星團(tuán)的銀心距為123.33kpc，68.7%的樣本球狀星團(tuán)分布在距銀心10kpc以內(nèi)，研究樣本相對銀心呈球?qū)ΨQ分布。

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〔2〕趙君亮.銀河系的結(jié)構(gòu)和演化〔J〕.自然雜志，2005，27（1）：25－28.

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Study on Space Distribution of 150 G lobular Clusters in the Galaxy

LIMaocai，LIZhongmu
（Institute of Astronomy and History of Science and Technology,DaliUniversity,Dali,Yunnan 671003,China）

The distributions of 150 globular clusters in the Galaxy are analyzed under the galactic coordinate system.The results show that:（1）The 94%globular clusters are located in galactic latitude-50°～+50°,while there are few globular clusters among galactic latitude+50°～+70°and-50°～-70°;（2）There are two peaks atgalactic longitude 10°and 350°;（3）The nearestand furthest globular clusters are 0.68kpc and 123.33kpc away from galactic center,and about 68.7%star clusters are located in 10kpc from galactic center.All of the sample star clusters presenta spherical symmetrical distribution around the galactic center.

the Galaxy；globular clusters；space distribution

P152.2

A

1672-2345（2010）10-0015-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（10963001）；云南省教育廳科研基金資助項目（09Y0369）

2010－09－11

李茂材，副教授，主要從事星系演化合成研究.

（責(zé)任編輯 董 杰）