银河系的新历史

北京时间 12 月 22 日消息，在过去两年中，天文学家已经改写了我们星系的故事。

当撒哈拉以南非洲以采猎为生的科伊桑人凝视划破夜空的蜿蜒群星时，他们看到的是篝火的余烬（根据基因研究，科伊桑人在 10 万年前就已存在，为已知最古老的民族）；同样的星空在波利尼西亚水手看来，则是一条吞噬云朵的鲨鱼；古希腊人则看到了一股流淌的奶汁，并称之为 “gala”，这个词最终演变成了现代的 “galaxy”；在中国，这条群星组成的雾状条带宛如银色的河流，也就是 “银河”或 “天河”。

到了 20 世纪，天文学家发现，我们身处的银河系只是一个巨大的 “恒星岛”的一部分，银河的起源故事揭开了新的篇章。简单地说，该理论认为，我们的银河系是在近 140 亿年前由巨大的气体云和尘埃在引力作用下合并而成的。随着时间的推移，出现了两种结构：首先是一个巨大的球形 “银晕”，后来则变成一个密度大、亮度高的圆盘。数十亿年后，太阳系在这个圆盘中形成，也开始围绕其中心旋转。因此，当我们在夜晚向星空望去时，其实是从圆盘的内部向外看，因此银河系呈现出在天球上环绕一圈的带状。

▲ 在这个数字模拟中，一个类似银河系的大型星系与一个较小的矮星系相撞。天文学家认为，在银河系发展的早期，至少发生过一次这样的大碰撞。

然而，在过去两年中，研究人员几乎改写了银河系历史的每一个主要章节，而这主要归功于他们得到了更好的数据。

2018 年 4 月 25 日，欧洲空间局的盖亚（Gaia）空间望远镜发布了大量有关星空的观测资料。最为重要的是，盖亚的多年数据集详细描述了大约 10 亿颗恒星的运动。此前的调查只绘制了数千颗恒星的移动地图，而盖亚的新数据让原本沉寂的银河系成为天文学研究的热点。法国斯特拉斯堡天文台的天文学家费德里科 · 斯蒂托说：“盖亚开启了一场新的革命。”

天文学家们争相下载动态的恒星地图，随后取得了一系列发现。例如，他们发现圆盘的某些部分看起来古老得不可思议。他们还发现了剧烈碰撞塑造年轻银河系的证据。此外，新的迹象表明，银河系将继续以一种意想不到的方式发生搅动。

这些结果综合起来，为银河系动荡的过去和不断变化的未来勾勒出了一个新的故事。“我们对银河系的认识变化得如此之快，”英国爱丁堡大学的天文学家迈克尔 · 彼得森说，“主旋律是银河系并非一个静止的物体，其各个部分的情况都在快速变化。”

▲自 2013 年 12 月发射至今，盖亚空间望远镜已经彻底改变了我们对银河系的认知。

最早的恒星

为了回溯银河系最早期的岁月，天文学家需要寻找当时存在的恒星。这些恒星只由宇宙中最原始的物质——氢和氦——组成。幸运的是，这些早期恒星中较小的成员燃烧缓慢，因此许多恒星仍在发光。

经过几十年的调查，研究人员已经发现了 42 颗这样的古恒星。它们被称为超贫金属星（ultra metal-poor star）。这里的 “金属”不同于一般意义上的金属，由于氢和氦在宇宙中的组成量占了压倒性多数，天文学家将所有更重的元素都视为金属。根据以往对银河系的标准认知，这些超贫金属星应当遍布银晕，即银河系最初形成的部分。相比之下，银河系盘面——被认为需要额外约十亿年的旋转才能变得扁平——中的恒星应该具有较多碳和氧等更重的元素。

2017 年底，费德里科 · 斯蒂托开始研究这群超贫金属星是如何移动的，并通过编写代码来分析即将公布的盖亚观测资料。他认为，也许这些恒星的球形路径可以为银晕的形成提供一些线索。

在盖亚的数据发布后的几天里，斯蒂托从完整的数据集中提取了 42 颗古老恒星，然后追踪它们的运动。他发现，大多数恒星流动如预测的那样穿过了银晕，但也有大约四分之一的恒星不是如此。相反，它们似乎陷入了银河系最年轻的区域——银盘上。这一结果令斯蒂托感到非常困惑。

▲银河系由一个密集的恒星银盘和一个弥散的球形银晕组成。大小麦哲伦星云等矮星系，以及球状星团就潜伏于银晕当中。

后续研究证实，这些恒星的确长期存在于银盘上，而不仅仅是过客。通过最近的两次调查，斯蒂托和同事收集了大约 5000 颗贫金属恒星。它们中有数百颗似乎可以称得上银盘的 “永久居民”。另一组研究人员筛选了第二次调查中确定的大约 500 颗恒星，发现大约十分之一的恒星平躺在类似太阳轨道的圆形轨道上。第三个研究小组发现，在扁平的银盘轨道上，有不同金属丰度（因此年龄也各不相同）的恒星都在运动。巴黎天文台的天文学家、研究第一作者保拉 · 迪马泰奥表示：“这是一个全新的情况。”

为何会出现这样与年龄不吻合的情况呢？斯蒂托推测，可能是原始气体团设法避开了从超新星中抛出的所有金属，然后坍缩形成了看起来很古老的恒星。还有一种说法是，银盘可能是在银晕成形的时候就开始形成，比原先预计的提前了近 10 亿年。

为了弄清哪一种可能性更大，斯蒂托联系了托拜厄斯 · 巴克，后者是德国波茨坦莱布尼茨天体物理研究所的研究者，擅长星系的数字模拟。在以往的研究中，天文学家一般认为银晕先产生，然后才形成银盘，但这些研究都是基于分辨率相对较低的数据。

托拜厄斯 · 巴克将他的模拟锐度提高了 10 倍。在这种分辨率下，每次运行都需要大量的计算资源。即使他可以使用德国的莱布尼茨超算中心，一次模拟也需要三个月的计算时间。最终，他重复了 6 次这样的模拟。

▲在这些数字模拟中，一个类似银河系的星系形成和演化了超过 138 亿年——从早期宇宙到现在。最左列显示了暗物质的分布；中列为气体温度（蓝色为冷，红色为热）；右列为恒星密度。每一行都突出显示了不同的规模：最上面一行是星系盘的放大图；中间行是银晕的中距离视图；最下行是银河系周围环境的放大图。

在这 6 次模拟中，有 5 次产生了与银河系极为相似的 “二重身”；而其中两次模拟的特征是出现了大量贫金属银盘恒星。

这些古老的恒星是如何进入银盘的？简单来说，它们是 “星际移民”。其中一些恒星诞生于银河系之前的气体云中。然后，这些气体云碰巧将它们的一些恒星送入了某些轨道，这些轨道最终形成了银盘的一部分。其他恒星来自于较小的 “矮”星系，这些星系在猛烈撞击银河系之后，融入了正在形成的银盘。

该小组在 11 月发表的研究结果表明，经典的银河系形成模型并不完整。正如预期的那样，气体云确实会坍缩成球状银晕，但当恒星以适当的角度到来时，也能同时触发银盘的形成。“（理论家们）并没有错，”托拜厄斯 · 巴克说，“他们只是缺少了一部分信息。”

躁动的年轻银河

复杂的事情还不止这些。天文学家通过盖亚空间望远镜发现了银河系 “年轻”时发生过剧烈碰撞的直接证据。在以往的假设中，银河系有一个躁动的年轻时代，而普林斯顿高等研究院的天文学家赫尔墨 · 科佩尔曼在盖亚任务数据的帮助下，终于具体确定了来自最大规模合并事件的残余。

科佩尔曼回忆称，盖亚任务 2018 年的数据发布是在一个周三，对资料的疯狂下载甚至使网站都停机了。他在周四处理了这些数据，而到了周五他已经知道，一个重大发现即将浮出水面。在银河系的各个方向，他都发现了大量的银晕恒星，以同样奇特的方式在银河系中心来回移动——这可能表明它们来自于一个单独的矮星系。科佩尔曼和同事在周日之前就准备好了一篇简短的论文，并在当年 6 月接着进行了一项更详细的分析。

银河系的残骸到处都是。银晕向各个方向延伸数十万光年，其内部 6 万光年范围内的所有恒星中，可能有一半来自这次单独的碰撞，这可能使年轻的银河系增加 10% 的质量。“对我来说，这相当于游戏规则都改变了，”科佩尔曼说，“我以为会有很多不同的小物体。”

研究小组将这个撞向银河系的矮星系命名为 “盖亚 - 恩克拉多斯”（Gaia-Enceladus），以希腊女神盖亚与她的巨人儿子恩克拉多斯命名。剑桥大学的另一个研究小组大约在同一时间独立发现了这个星系，并在某些轨道图上给它起名为 “盖亚香肠”（Gaia Sausage）。

▲这个模拟展示了一个类银河星系在大约 100 亿年间的形成和演变过程。许多较小的矮星系与主星系融合在一起，常常成为主星系的一部分。

大约 100 亿年前，当银河系和 “盖亚 - 恩克拉多斯”相撞时，银河系脆弱的圆盘可能遭受了广泛的破坏。天文学家争论的一个问题是，为什么银河系的星系盘似乎有两个部分，一个较薄，一个较厚，后者的恒星会在环绕星系中心的轨道上来回 “蹦跳”。由迪马泰奥领导的研究表明，“盖亚 - 恩克拉多斯”的大部分盘面发生了爆炸，并在碰撞过程中膨胀起来。科佩尔曼说：“第一个古老银盘的形成非常快，我们认为盖亚 - 恩克拉多斯摧毁了它。”

在被称为球状星团的恒星集团中，天文学家已经发现了额外合并的迹象。德国海德堡大学的天文学家 Diederik Kruijssen 利用星系模拟训练了一个神经网络，对球状星团进行了细致观察，主要研究其恒星的年龄、组成和轨道。根据这些数据，神经网络可以重新构建出导致星系重组的碰撞。然后，他对银河系的实际数据进行了分析。该程序重建了已知的事件，比如盖亚 - 恩克拉多斯；以及一个更古老、更重要的合并事件，研究小组将其命名为 “克拉肯”（Kraken，北欧神话中的北海巨妖）。

2020 年 8 月，Kruijssen 的团队发表了银河系和塑造它的矮星系之间的合并事件谱系。他们还预测了过往另外 10 次碰撞的存在，并希望能够通过独立观测加以证实。“我们还没有找到另外 10 个事件，”Kruijssen 说，“但我们会找到的。”

所有这些合并事件促使一些天文学家提出，银晕可能几乎完全由移民恒星组成。20 世纪 60 年代和 70 年代的模型预测，大多数银晕恒星应当是在适当的位置形成的。但迪马泰奥表示，随着越来越多的恒星被确定为银河系的入侵者，天文学家可能不需要假设银河系中有很多 “本地”的恒星。

仍在生长的银河系

在最近的上亿年时间里，银河系经历了一段相对平静的历史，但新来者仍在不断涌入。南半球的观星者可以用肉眼观察到一对矮星系，分别为大麦哲伦星云和小麦哲伦星云。长期以来，天文学家一直认为这对矮星系是银河系坚定的轨道伴侣，就像两颗卫星一样。

后来，哈勃太空望远镜在 2006 年至 2013 年期间进行的一系列观测发现，它们更像是飞来的陨石。美国弗吉尼亚大学的天文学家尼提亚 · 卡里瓦亚里尔测得这些星云以每秒 330 公里的速度靠近银河系——几乎是先前预测速度的两倍。

几年之后，爱丁堡皇家天文台的天文学家豪尔赫 · 佩纳鲁比亚领导的一个团队对这些数据进行了梳理。他们得出结论，这些快速移动的星云一定非常巨大，可能比之前认为的要大 10 倍。

“惊喜真是一个接着一个。”佩纳鲁比亚说道。

许多研究小组都预测，这些异常 “粗壮”的矮矮星可能会拖着银河系的一部分旋转。2020 年，佩纳鲁比亚开始与彼得森合作寻找相关证据。

▲大麦哲伦星云和小麦哲伦星云在婆罗摩火山上空升起。这座火山是印度尼西亚爪哇岛婆罗摩腾格塞梅鲁国家公园的一座活火山。

寻找银河系尺度的恒星运动要面临一个挑战，那就是银河系堪称一场由无数恒星组成的 “暴风雪”，而天文学家就像在一片雪花上往外看。因此，佩纳鲁比亚和彼得森花了大部分时间研究如何抵消地球和太阳的运动，以及如何平衡银晕恒星的运动，这样银晕的外边缘才可以作为一个静止的背景。

他们在校准数据时发现，地球、太阳及其所处银盘的其他区域，都在朝一个方向运动，并不是朝向大麦哲伦星云的当前位置，而是朝着其在大约十亿年前的位置（彼得森解释道，银河系是一只笨拙的巨兽）。他们最近在《自然 - 天文学》（Nature Astronomy）杂志上详述了这些发现。

银盘相对银晕的移动破坏了一个基本假设：银河系是一个处于平衡状态的物体。此前大多数天文学家认为，银河系可能在太空中旋转或滑动，但经过数十亿年的演变，成熟的银盘和银晕已经稳定下来。

佩纳鲁比亚和彼得森的分析证明这种假设是错误的。即使在 140 亿年之后，合并事件仍在继续塑造着银河系的整体形状。这一认识反映了我们对天空中这条璀璨银河的最新理解。“所有我们认为已知关于银河系未来和历史的一切，”彼得森说，“都需要一个新的模型来进行描述。”

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