近日，云南大学研究团队借助国家天文台负责运行的郭守敬望远镜（LAMOST）的光谱数据，结合仙女星系（M31）已有的观测，构建了目前国际上最大的具有视向速度测量的仙女星系的天体星表。基于此，研究团队成功绘制了有史以来观测范围最广且精度最高的仙女星系的旋转曲线，并进一步得到了仙女星系的动力学质量分布。这对于研究仙女星系乃至一般星系的动力学结构和质量分布具有重要的科学意义。该成果发表在国际天文期刊英国《皇家天文学会月刊》（2024，MNRAS，528，2653）发表。
仙女星系是距离银河系最近的大型漩涡星系，离地球大约250万光年。在本星系群中，仙女星系是唯一一个类似银河系且能够被完整详细观测的大型动力学系统，因此仙女星系是研究星系形成和演化的绝佳目标。由于其较远的距离，证认天体困难且缺乏自行信息，以及自身较大的倾角等因素，精确绘制仙女星系的旋转曲线是一项非常具有挑战性的工作。
仙女星系的艺术图（图源：Amir H.Abolfath ）
在这项研究中，研究团队利用LAMOST DR9的光谱和相关文献数据，总计收集了13，679个具有视向速度测量值的仙女星系内的天体，这是迄今为止数量最大的研究仙女星系动力学的样本。该样本包含了仙女星系核球、盘和晕三个组成部分的天体，为开展详细的运动学研究提供了丰富的数据支持。对于分布在盘上的天体，研究团队基于非对称流改正的运动学模型，通过获取每一个天体的切向速度得到了对应的旋转速度。对于分布在核球和晕上的天体，研究团队结合速度弥散信息，采用球对称和投影金斯方程计算了对应的旋转速度。
最终，研究团队绘制出了距离仙女星系中心0-125kpc范围内的旋转曲线，精度达到5％-20％。这也是目前国际上覆盖范围最广且最为精确的仙女星系旋转曲线，结果如图2所示。
结果显示，仙女星系的旋转曲线在盘上保持恒定值约为220 km/s，并逐渐减小至外晕处的170km/s。此外，本研究还测量了速度弥散的运动学参数，包括仙女星系盘的标长、晕的幂律参数等，并在国际上首次发现仙女星系拥有各向同性的核球和切向支配的星系晕。
质量是一个星系的基本物理属性。准确测量仙女星系的质量对于理解其物质分布、形成和演化历史以及在本星系群中的作用至关重要。基于该旋转曲线，研究团队构建了包含三个成分的仙女星系质量模型，给出了仙女星系的质量分布，并计算得到仙女星系的质量约为1.14万亿倍太阳质量。
M31的旋转曲线以及各成分的引力势贡献，图中横坐标为距离M31中心的距离，纵坐标为旋转速度。蓝色和红色的带误差棒的点分别为科研人员测得的M31盘和核球/晕的旋转速度。实线及其阴影为最佳拟合的M31总质量分布模型与误差，不同成分（核球、盘以及晕）的质量分布模型也在图中以灰色点虚线表示。
该研究成果为理解仙女星系乃至一般旋涡星系的质量分布提供了全新的认识，对进一步理解旋涡星系的动力学结构和形成演化也具有重要意义。论文第一作者为云南大学本科生张湘玮，指导老师为陈丙秋教授。
论文链接：https://academic.oup.com/mnras/article/528/2/2653/7512223
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