近日，上海交通大学物理与天文学院的韩家信特别研究员与团队成员李昭洲博士后，首次获得了人类认知的银河系最外缘边界的测量。论文于 2021 年 7 月 1日发表于国际学术期刊《天体物理快报》（The Astrophysical Journal Letters），题为《星系运动学揭示的银河系最外边界》(The outermost edges of the Milky Way halo from galaxy kinematics) 。
像多数星系一样，银河系周围包裹着一团被称作暗晕的巨大暗物质团块，该团块的性质同银河系的性质密切相关。相比于宇宙中的遥远星系，人类对我们所处的银河系有着更细致而完备的观测，因此银河系是当前研究星系形成、暗物质属性乃至宇宙学的一个重要实验室，而对银河系周围暗晕的刻画则是这些研究的一个共同课题。
在过去的研究中，天文学家们常用基于平衡态假设的位力半径来刻画暗晕的大小。然而在真实宇宙中，暗晕并非同周围的环境割裂开来，而是通过引力持续吸积周围的物质而不断增长。于是在暗晕的平衡区域以外，便环绕着供给暗物质晕增长的蛮荒区域，它们也是成长中的银河系的征伐疆域，存在着物质内流、回溅、增长、耗竭等动态演化过程。针对这一区域，韩家信团队在不久前刊于《英国皇家天文学会月刊》(MNRAS) 的论文(Fong & Han 2021)中提出了一种新的暗晕边界描述，称为耗竭半径(depletion radius)，见前文介绍。暗晕自身的增长对应着周围物质的耗竭，而耗竭半径则精确划分了这一过程中增长的暗晕同耗竭的环境之间的分界。该半径位于暗晕周围物质内流速度最大的位置，具有明确的物理意义和诸多优美特性。
图1 银河系一千万光年内近邻星系的运动。图中绿色区域为利用高斯过程回归测得的星系平均径向运动速度。根据该曲线的特征可以将银河系周围划分出平衡（virialized）、增长（growing）、耗竭（depleting）、退行（receding）四个区域。耗竭和退行区域的内边界分别为银河系的耗竭半径和回转半径。
在课题组的ApJL新论文中，作者通过统计位于银河系一千万光年 (3Mpc) 以内星系们的运动，首次测量了银河系耗竭边界的位置（约为 560 kpc），并估计了该边界内的总质量。作为副产品，该工作也同时首次测定了银河系内的经典回转半径(turnaround radius)，即银河系克服宇宙膨胀而将物质吸引住的最远半径。同耗竭半径一起，这两个半径揭示了银河系在当前成长中的最遥远和最蛮荒的边界。这些结果直接刻画了银河系当前的动力学状态，并暗示了银河系的独特成长历史，有望帮助我们更好地从结构形成的框架中来理解银河系和其周围的暗物质环境。
图2 银河系及其近邻的质量分布。图中五角星为该工作最新测量的银河系耗竭边界和回转边界。最新的流体力学数值模拟倾向于预言偏小一些的耗竭质量（图中LG-like所示），可能预示着银河系的独特成长历史。
论文第一作者是课题组博士后李昭洲，共同通讯作者是韩家信特别研究员。该工作也是韩家信研究团队近期关于暗晕边界的系列工作之一。研究团队得到了国家自然科学基金和科技部重点专项等研究经费的支持。
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