北京時(shí)間 12 月 22 日消息，在過去兩年中，天文學(xué)家已經(jīng)改寫了我們星系的故事。
當(dāng)撒哈拉以南非洲以采獵為生的科伊桑人凝視劃破夜空的蜿蜒群星時(shí)，他們看到的是篝火的余燼(根據(jù)基因研究，科伊桑人在 10 萬年前就已存在，為已知最古老的民族);同樣的星空在波利尼西亞水手看來，則是一條吞噬云朵的鯊魚;古希臘人則看到了一股流淌的奶汁，并稱之為 “gala”，這個(gè)詞最終演變成了現(xiàn)代的 “galaxy”;在中國，這條群星組成的霧狀條帶宛如銀色的河流，也就是 “銀河”或 “天河”。
到了 20 世紀(jì)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我們身處的銀河系只是一個(gè)巨大的 “恒星島”的一部分，銀河的起源故事揭開了新的篇章。簡單地說，該理論認(rèn)為，我們的銀河系是在近 140 億年前由巨大的氣體云和塵埃在引力作用下合并而成的。隨著時(shí)間的推移，出現(xiàn)了兩種結(jié)構(gòu)：首先是一個(gè)巨大的球形 “銀暈”，后來則變成一個(gè)密度大、亮度高的圓盤。數(shù)十億年后，太陽系在這個(gè)圓盤中形成，也開始圍繞其中心旋轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)我們在夜晚向星空望去時(shí)，其實(shí)是從圓盤的內(nèi)部向外看，因此銀河系呈現(xiàn)出在天球上環(huán)繞一圈的帶狀。
然而，在過去兩年中，研究人員幾乎改寫了銀河系歷史的每一個(gè)主要章節(jié)，而這主要?dú)w功于他們得到了更好的數(shù)據(jù)。
2018 年 4 月 25 日，歐洲空間局的蓋亞(Gaia)空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)布了大量有關(guān)星空的觀測資料。最為重要的是，蓋亞的多年數(shù)據(jù)集詳細(xì)描述了大約 10 億顆恒星的運(yùn)動。此前的調(diào)查只繪制了數(shù)千顆恒星的移動地圖，而蓋亞的新數(shù)據(jù)讓原本沉寂的銀河系成為天文學(xué)研究的熱點(diǎn)。法國斯特拉斯堡天文臺的天文學(xué)家費(fèi)德里科 · 斯蒂托說：“蓋亞開啟了一場新的革命。”
天文學(xué)家們爭相下載動態(tài)的恒星地圖，隨后取得了一系列發(fā)現(xiàn)。例如，他們發(fā)現(xiàn)圓盤的某些部分看起來古老得不可思議。他們還發(fā)現(xiàn)了劇烈碰撞塑造年輕銀河系的證據(jù)。此外，新的跡象表明，銀河系將繼續(xù)以一種意想不到的方式發(fā)生攪動。
這些結(jié)果綜合起來，為銀河系動蕩的過去和不斷變化的未來勾勒出了一個(gè)新的故事。“我們對銀河系的認(rèn)識變化得如此之快，”英國愛丁堡大學(xué)的天文學(xué)家邁克爾 · 彼得森說，“主旋律是銀河系并非一個(gè)靜止的物體，其各個(gè)部分的情況都在快速變化。”
最早的恒星
為了回溯銀河系最早期的歲月，天文學(xué)家需要尋找當(dāng)時(shí)存在的恒星。這些恒星只由宇宙中最原始的物質(zhì)——氫和氦——組成。幸運(yùn)的是，這些早期恒星中較小的成員燃燒緩慢，因此許多恒星仍在發(fā)光。
經(jīng)過幾十年的調(diào)查，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 42 顆這樣的古恒星。它們被稱為超貧金屬星(ultra metal-poor star)。這里的 “金屬”不同于一般意義上的金屬，由于氫和氦在宇宙中的組成量占了壓倒性多數(shù)，天文學(xué)家將所有更重的元素都視為金屬。根據(jù)以往對銀河系的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知，這些超貧金屬星應(yīng)當(dāng)遍布銀暈，即銀河系最初形成的部分。相比之下，銀河系盤面——被認(rèn)為需要額外約十億年的旋轉(zhuǎn)才能變得扁平——中的恒星應(yīng)該具有較多碳和氧等更重的元素。
2017 年底，費(fèi)德里科 · 斯蒂托開始研究這群超貧金屬星是如何移動的，并通過編寫代碼來分析即將公布的蓋亞觀測資料。他認(rèn)為，也許這些恒星的球形路徑可以為銀暈的形成提供一些線索。
在蓋亞的數(shù)據(jù)發(fā)布后的幾天里，斯蒂托從完整的數(shù)據(jù)集中提取了 42 顆古老恒星，然后追蹤它們的運(yùn)動。他發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)恒星流動如預(yù)測的那樣穿過了銀暈，但也有大約四分之一的恒星不是如此。相反，它們似乎陷入了銀河系最年輕的區(qū)域——銀盤上。這一結(jié)果令斯蒂托感到非常困惑。
后續(xù)研究證實(shí)，這些恒星的確長期存在于銀盤上，而不僅僅是過客。通過最近的兩次調(diào)查，斯蒂托和同事收集了大約 5000 顆貧金屬恒星。它們中有數(shù)百顆似乎可以稱得上銀盤的 “永久居民”。另一組研究人員篩選了第二次調(diào)查中確定的大約 500 顆恒星，發(fā)現(xiàn)大約十分之一的恒星平躺在類似太陽軌道的圓形軌道上。第三個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，在扁平的銀盤軌道上，有不同金屬豐度(因此年齡也各不相同)的恒星都在運(yùn)動。巴黎天文臺的天文學(xué)家、研究第一作者保拉 · 迪馬泰奧表示：“這是一個(gè)全新的情況。”
為何會出現(xiàn)這樣與年齡不吻合的情況呢?斯蒂托推測，可能是原始?xì)怏w團(tuán)設(shè)法避開了從超新星中拋出的所有金屬，然后坍縮形成了看起來很古老的恒星。還有一種說法是，銀盤可能是在銀暈成形的時(shí)候就開始形成，比原先預(yù)計(jì)的提前了近 10 億年。
為了弄清哪一種可能性更大，斯蒂托聯(lián)系了托拜厄斯 · 巴克，后者是德國波茨坦萊布尼茨天體物理研究所的研究者，擅長星系的數(shù)字模擬。在以往的研究中，天文學(xué)家一般認(rèn)為銀暈先產(chǎn)生，然后才形成銀盤，但這些研究都是基于分辨率相對較低的數(shù)據(jù)。
托拜厄斯 · 巴克將他的模擬銳度提高了 10 倍。在這種分辨率下，每次運(yùn)行都需要大量的計(jì)算資源。即使他可以使用德國的萊布尼茨超算中心，一次模擬也需要三個(gè)月的計(jì)算時(shí)間。最終，他重復(fù)了 6 次這樣的模擬。
在這 6 次模擬中，有 5 次產(chǎn)生了與銀河系極為相似的 “二重身”;而其中兩次模擬的特征是出現(xiàn)了大量貧金屬銀盤恒星。
這些古老的恒星是如何進(jìn)入銀盤的?簡單來說，它們是 “星際移民”。其中一些恒星誕生于銀河系之前的氣體云中。然后，這些氣體云碰巧將它們的一些恒星送入了某些軌道，這些軌道最終形成了銀盤的一部分。其他恒星來自于較小的 “矮”星系，這些星系在猛烈撞擊銀河系之后，融入了正在形成的銀盤。
該小組在 11 月發(fā)表的研究結(jié)果表明，經(jīng)典的銀河系形成模型并不完整。正如預(yù)期的那樣，氣體云確實(shí)會坍縮成球狀銀暈，但當(dāng)恒星以適當(dāng)?shù)慕嵌鹊絹頃r(shí)，也能同時(shí)觸發(fā)銀盤的形成。“(理論家們)并沒有錯(cuò)，”托拜厄斯 · 巴克說，“他們只是缺少了一部分信息。”
躁動的年輕銀河
復(fù)雜的事情還不止這些。天文學(xué)家通過蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了銀河系 “年輕”時(shí)發(fā)生過劇烈碰撞的直接證據(jù)。在以往的假設(shè)中，銀河系有一個(gè)躁動的年輕時(shí)代，而普林斯頓高等研究院的天文學(xué)家赫爾墨 · 科佩爾曼在蓋亞任務(wù)數(shù)據(jù)的幫助下，終于具體確定了來自最大規(guī)模合并事件的殘余。
科佩爾曼回憶稱，蓋亞任務(wù) 2018 年的數(shù)據(jù)發(fā)布是在一個(gè)周三，對資料的瘋狂下載甚至使網(wǎng)站都停機(jī)了。他在周四處理了這些數(shù)據(jù)，而到了周五他已經(jīng)知道，一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)即將浮出水面。在銀河系的各個(gè)方向，他都發(fā)現(xiàn)了大量的銀暈恒星，以同樣奇特的方式在銀河系中心來回移動——這可能表明它們來自于一個(gè)單獨(dú)的矮星系?？婆鍫柭屯略谥苋罩熬蜏?zhǔn)備好了一篇簡短的論文，并在當(dāng)年 6 月接著進(jìn)行了一項(xiàng)更詳細(xì)的分析。
銀河系的殘骸到處都是。銀暈向各個(gè)方向延伸數(shù)十萬光年，其內(nèi)部 6 萬光年范圍內(nèi)的所有恒星中，可能有一半來自這次單獨(dú)的碰撞，這可能使年輕的銀河系增加 10% 的質(zhì)量。“對我來說，這相當(dāng)于游戲規(guī)則都改變了，”科佩爾曼說，“我以為會有很多不同的小物體。”
研究小組將這個(gè)撞向銀河系的矮星系命名為 “蓋亞 - 恩克拉多斯”(Gaia-Enceladus)，以希臘女神蓋亞與她的巨人兒子恩克拉多斯命名。劍橋大學(xué)的另一個(gè)研究小組大約在同一時(shí)間獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這個(gè)星系，并在某些軌道圖上給它起名為 “蓋亞香腸”(Gaia Sausage)。
大約 100 億年前，當(dāng)銀河系和 “蓋亞 - 恩克拉多斯”相撞時(shí)，銀河系脆弱的圓盤可能遭受了廣泛的破壞。天文學(xué)家爭論的一個(gè)問題是，為什么銀河系的星系盤似乎有兩個(gè)部分，一個(gè)較薄，一個(gè)較厚，后者的恒星會在環(huán)繞星系中心的軌道上來回 “蹦跳”。由迪馬泰奧領(lǐng)導(dǎo)的研究表明，“蓋亞 - 恩克拉多斯”的大部分盤面發(fā)生了爆炸，并在碰撞過程中膨脹起來。科佩爾曼說：“第一個(gè)古老銀盤的形成非?？欤覀冋J(rèn)為蓋亞 - 恩克拉多斯摧毀了它。”
在被稱為球狀星團(tuán)的恒星集團(tuán)中，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了額外合并的跡象。德國海德堡大學(xué)的天文學(xué)家 Diederik Kruijssen 利用星系模擬訓(xùn)練了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對球狀星團(tuán)進(jìn)行了細(xì)致觀察，主要研究其恒星的年齡、組成和軌道。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以重新構(gòu)建出導(dǎo)致星系重組的碰撞。然后，他對銀河系的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。該程序重建了已知的事件，比如蓋亞 - 恩克拉多斯;以及一個(gè)更古老、更重要的合并事件，研究小組將其命名為 “克拉肯”(Kraken，北歐神話中的北海巨妖)。
2020 年 8 月，Kruijssen 的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了銀河系和塑造它的矮星系之間的合并事件譜系。他們還預(yù)測了過往另外 10 次碰撞的存在，并希望能夠通過獨(dú)立觀測加以證實(shí)。“我們還沒有找到另外 10 個(gè)事件，”Kruijssen 說，“但我們會找到的。”
所有這些合并事件促使一些天文學(xué)家提出，銀暈可能幾乎完全由移民恒星組成。20 世紀(jì) 60 年代和 70 年代的模型預(yù)測，大多數(shù)銀暈恒星應(yīng)當(dāng)是在適當(dāng)?shù)奈恢眯纬傻?。但迪馬泰奧表示，隨著越來越多的恒星被確定為銀河系的入侵者，天文學(xué)家可能不需要假設(shè)銀河系中有很多 “本地”的恒星。
仍在生長的銀河系
在最近的上億年時(shí)間里，銀河系經(jīng)歷了一段相對平靜的歷史，但新來者仍在不斷涌入。南半球的觀星者可以用肉眼觀察到一對矮星系，分別為大麥哲倫星云和小麥哲倫星云。長期以來，天文學(xué)家一直認(rèn)為這對矮星系是銀河系堅(jiān)定的軌道伴侶，就像兩顆衛(wèi)星一樣。
后來，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在 2006 年至 2013 年期間進(jìn)行的一系列觀測發(fā)現(xiàn)，它們更像是飛來的隕石。美國弗吉尼亞大學(xué)的天文學(xué)家尼提亞 · 卡里瓦亞里爾測得這些星云以每秒 330 公里的速度靠近銀河系——幾乎是先前預(yù)測速度的兩倍。
幾年之后，愛丁堡皇家天文臺的天文學(xué)家豪爾赫 · 佩納魯比亞領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了梳理。他們得出結(jié)論，這些快速移動的星云一定非常巨大，可能比之前認(rèn)為的要大 10 倍。
“驚喜真是一個(gè)接著一個(gè)。”佩納魯比亞說道。
許多研究小組都預(yù)測，這些異常 “粗壯”的矮矮星可能會拖著銀河系的一部分旋轉(zhuǎn)。2020 年，佩納魯比亞開始與彼得森合作尋找相關(guān)證據(jù)。
尋找銀河系尺度的恒星運(yùn)動要面臨一個(gè)挑戰(zhàn)，那就是銀河系堪稱一場由無數(shù)恒星組成的 “暴風(fēng)雪”，而天文學(xué)家就像在一片雪花上往外看。因此，佩納魯比亞和彼得森花了大部分時(shí)間研究如何抵消地球和太陽的運(yùn)動，以及如何平衡銀暈恒星的運(yùn)動，這樣銀暈的外邊緣才可以作為一個(gè)靜止的背景。
他們在校準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，地球、太陽及其所處銀盤的其他區(qū)域，都在朝一個(gè)方向運(yùn)動，并不是朝向大麥哲倫星云的當(dāng)前位置，而是朝著其在大約十億年前的位置(彼得森解釋道，銀河系是一只笨拙的巨獸)。他們最近在《自然 - 天文學(xué)》(Nature Astronomy)雜志上詳述了這些發(fā)現(xiàn)。
銀盤相對銀暈的移動破壞了一個(gè)基本假設(shè)：銀河系是一個(gè)處于平衡狀態(tài)的物體。此前大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為，銀河系可能在太空中旋轉(zhuǎn)或滑動，但經(jīng)過數(shù)十億年的演變，成熟的銀盤和銀暈已經(jīng)穩(wěn)定下來。
佩納魯比亞和彼得森的分析證明這種假設(shè)是錯(cuò)誤的。即使在 140 億年之后，合并事件仍在繼續(xù)塑造著銀河系的整體形狀。這一認(rèn)識反映了我們對天空中這條璀璨銀河的最新理解。“所有我們認(rèn)為已知關(guān)于銀河系未來和歷史的一切，”彼得森說，“都需要一個(gè)新的模型來進(jìn)行描述。”
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