銀河系的新歷史

北京時間12月22日消息,在過去兩年中,天文學家已經改寫了我們星系的故事。當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,他們看到的是篝火的余燼(根據基因研究,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,則是一條吞噬雲朵的鯊魚;古希臘人則看到了一股流淌的奶汁,並稱之為「gala」,這個詞最終演變成了現代的「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,天文學家發現,我們身處的銀河系只是一個巨大的「恆星島」的一部分,銀河的起源故事揭開了新的篇章。簡單地說,該理論認為,我們的銀河系是在近140億年前由巨大的氣體雲和塵埃在引力作用下合並而成的。隨着時間的推移,出現了兩種結構:首先是一個巨大的球形「銀暈」,後來則變成一個密度大、亮度高的圓盤。數十億年後,太陽系在這個圓盤中形成,也開始圍繞其中心旋轉。因此,當我們在夜晚向星空望去時,其實是從圓盤的內部向外看,因此銀河系呈現出在天球上環繞一圈的帶狀。

銀河系的新歷史

在這個數字模擬中,一個類似銀河系的大型星系與一個較小的矮星系相撞。天文學家認為,在銀河系發展的早期,至少發生過一次這樣的大碰撞。

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主要章節,而這主要歸功於他們得到了更好的數據。

2018年4月25日,歐洲空間局的蓋亞(Gaia)空間望遠鏡發布了大量有關星空的觀測資料。最為重要的是,蓋亞的多年數據集詳細描述了大約10億顆恆星的運動。此前的調查只繪制了數千顆恆星的移動地圖,而蓋亞的新數據讓原本沉寂的銀河系成為天文學研究的熱點。法國斯特拉斯堡天文台的天文學家費德里科·斯蒂托說:「蓋亞開啟了一場新的革命。」

天文學家們爭相下載動態的恆星地圖,隨後取得了一系列發現。例如,他們發現圓盤的某些部分看起來古老得不可思議。他們還發現了劇烈碰撞塑造年輕銀河系的證據。此外,新的跡象表明,銀河系將繼續以一種意想不到的方式發生攪動。

這些結果綜合起來,為銀河系動盪的過去和不斷變化的未來勾勒出了一個新的故事。「我們對銀河系的認識變化得如此之快,」英國愛丁堡大學的天文學家邁克爾·彼得森說,「主旋律是銀河系並非一個靜止的物體,其各個部分的情況都在快速變化。」

銀河系的新歷史

自2013年12月發射至今,蓋亞空間望遠鏡已經徹底改變了我們對銀河系的認知。

最早的恆星

為了回溯銀河系最早期的歲月,天文學家需要尋找當時存在的恆星。這些恆星只由宇宙中最原始的物質——氫和氦——組成。幸運的是,這些早期恆星中較小的成員燃燒緩慢,因此許多恆星仍在發光。

經過幾十年的調查,研究人員已經發現了42顆這樣的古恆星。它們被稱為超貧金屬星(ultra metal-poor star)。這里的「金屬」不同於一般意義上的金屬,由於氫和氦在宇宙中的組成量占了壓倒性多數,天文學家將所有更重的元素都視為金屬。根據以往對銀河系的標准認知,這些超貧金屬星應當遍布銀暈,即銀河系最初形成的部分。相比之下,銀河系盤面——被認為需要額外約十億年的旋轉才能變得扁平——中的恆星應該具有較多碳和氧等更重的元素。

2017年底,費德里科·斯蒂托開始研究這群超貧金屬星是如何移動的,並通過編寫代碼來分析即將公布的蓋亞觀測資料。他認為,也許這些恆星的球形路徑可以為銀暈的形成提供一些線索。

在蓋亞的數據發布後的幾天里,斯蒂托從完整的數據集中提取了42顆古老恆星,然後追蹤它們的運動。他發現,大多數恆星流動如預測的那樣穿過了銀暈,但也有大約四分之一的恆星不是如此。相反,它們似乎陷入了銀河系最年輕的區域——銀盤上。這一結果令斯蒂托感到非常困惑。

銀河系的新歷史

銀河系由一個密集的恆星銀盤和一個彌散的球形銀暈組成。大小麥哲倫星雲等矮星系,以及球狀星團就潛伏於銀暈當中。

後續研究證實,這些恆星的確長期存在於銀盤上,而不僅僅是過客。通過最近的兩次調查,斯蒂托和同事收集了大約5000顆貧金屬恆星。它們中有數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查中確定的大約500顆恆星,發現大約十分之一的恆星平躺在類似太陽軌道的圓形軌道上。第三個研究小組發現,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)的恆星都在運動。巴黎天文台的天文學家、研究第一作者保拉·迪馬泰奧表示:「這是一個全新的情況。」

為何會出現這樣與年齡不吻合的情況呢?斯蒂托推測,可能是原始氣體團設法避開了從超新星中拋出的所有金屬,然後坍縮形成了看起來很古老的恆星。還有一種說法是,銀盤可能是在銀暈成形的時候就開始形成,比原先預計的提前了近10億年。

為了弄清哪一種可能性更大,斯蒂托聯系了托拜厄斯·巴克,後者是德國波茨坦萊布尼茨天體物理研究所的研究者,擅長星系的數字模擬。在以往的研究中,天文學家一般認為銀暈先產生,然後才形成銀盤,但這些研究都是基於分辨率相對較低的數據。

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,每次運行都需要大量的計算資源。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月的計算時間。最終,他重復了6次這樣的模擬。

銀河系的新歷史

在這些數字模擬中,一個類似銀河系的星系形成和演化了超過138億年——從早期宇宙到現在。最左列顯示了暗物質的分布;中列為氣體溫度(藍色為冷,紅色為熱);右列為恆星密度。每一行都突出顯示了不同的規模:最上面一行是星系盤的放大圖;中間行是銀暈的中距離視圖;最下行是銀河系周圍環境的放大圖。

在這6次模擬中,有5次產生了與銀河系極為相似的「二重身」;而其中兩次模擬的特徵是出現了大量貧金屬銀盤恆星。

這些古老的恆星是如何進入銀盤的?簡單來說,它們是「星際移民」。其中一些恆星誕生於銀河系之前的氣體雲中。然後,這些氣體雲碰巧將它們的一些恆星送入了某些軌道,這些軌道最終形成了銀盤的一部分。其他恆星來自於較小的「矮」星系,這些星系在猛烈撞擊銀河系之後,融入了正在形成的銀盤。

該小組在11月發表的研究結果表明,經典的銀河系形成模型並不完整。正如預期的那樣,氣體雲確實會坍縮成球狀銀暈,但當恆星以適當的角度到來時,也能同時觸發銀盤的形成。「(理論家們)並沒有錯,」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

復雜的事情還不止這些。天文學家通過蓋亞空間望遠鏡發現了銀河系「年輕」時發生過劇烈碰撞的直接證據。在以往的假設中,銀河系有一個躁動的年輕時代,而普林斯頓高等研究院的天文學家赫爾墨·科佩爾曼在蓋亞任務數據的幫助下,終於具體確定了來自最大規模合並事件的殘余。

科佩爾曼回憶稱,蓋亞任務2018年的數據發布是在一個周三,對資料的瘋狂下載甚至使網站都停機了。他在周四處理了這些數據,而到了周五他已經知道,一個重大發現即將浮出水面。在銀河系的各個方向,他都發現了大量的銀暈恆星,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於一個單獨的矮星系。科佩爾曼和同事在周日之前就准備好了一篇簡短的論文,並在當年6月接着進行了一項更詳細的分析。

銀河系的殘骸到處都是。銀暈向各個方向延伸數十萬光年,其內部6萬光年范圍內的所有恆星中,可能有一半來自這次單獨的碰撞,這可能使年輕的銀河系增加10%的質量。「對我來說,這相當於游戲規則都改變了,」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。劍橋大學的另一個研究小組大約在同一時間獨立發現了這個星系,並在某些軌道圖上給它起名為「蓋亞香腸」(Gaia Sausage)。

銀河系的新歷史

這個模擬展示了一個類銀河星系在大約100億年間的形成和演變過程。許多較小的矮星系與主星系融合在一起,常常成為主星系的一部分。

大約100億年前,當銀河系和「蓋亞-恩克拉多斯」相撞時,銀河系脆弱的圓盤可能遭受了廣泛的破壞。天文學家爭論的一個問題是,為什麼銀河系的星系盤似乎有兩個部分,一個較薄,一個較厚,後者的恆星會在環繞星系中心的軌道上來回「蹦跳」。由迪馬泰奧領導的研究表明,「蓋亞-恩克拉多斯」的大部分盤面發生了爆炸,並在碰撞過程中膨脹起來。科佩爾曼說:「第一個古老銀盤的形成非常快,我們認為蓋亞-恩克拉多斯摧毀了它。」

在被稱為球狀星團的恆星集團中,天文學家已經發現了額外合並的跡象。德國海德堡大學的天文學家Diederik Kruijssen利用星系模擬訓練了一個神經網絡,對球狀星團進行了細致觀察,主要研究其恆星的年齡、組成和軌道。根據這些數據,神經網絡可以重新構建出導致星系重組的碰撞。然後,他對銀河系的實際數據進行了分析。該程序重建了已知的事件,比如蓋亞-恩克拉多斯;以及一個更古老、更重要的合並事件,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的團隊發表了銀河系和塑造它的矮星系之間的合並事件譜系。他們還預測了過往另外10次碰撞的存在,並希望能夠通過獨立觀測加以證實。「我們還沒有找到另外10個事件,」Kruijssen說,「但我們會找到的。」

所有這些合並事件促使一些天文學家提出,銀暈可能幾乎完全由移民恆星組成。20世紀60年代和70年代的模型預測,大多數銀暈恆星應當是在適當的位置形成的。但迪馬泰奧表示,隨着越來越多的恆星被確定為銀河系的入侵者,天文學家可能不需要假設銀河系中有很多「本地」的恆星。

仍在生長的銀河系

在最近的上億年時間里,銀河系經歷了一段相對平靜的歷史,但新來者仍在不斷湧入。南半球的觀星者可以用肉眼觀察到一對矮星系,分別為大麥哲倫星雲和小麥哲倫星雲。長期以來,天文學家一直認為這對矮星系是銀河系堅定的軌道伴侶,就像兩顆衛星一樣。

後來,哈勃太空望遠鏡在2006年至2013年期間進行的一系列觀測發現,它們更像是飛來的隕石。美國弗吉尼亞大學的天文學家尼提亞·卡里瓦亞里爾測得這些星雲以每秒330公里的速度靠近銀河系——幾乎是先前預測速度的兩倍。

幾年之後,愛丁堡皇家天文台的天文學家豪爾赫·佩納魯比亞領導的一個團隊對這些數據進行了梳理。他們得出結論,這些快速移動的星雲一定非常巨大,可能比之前認為的要大10倍。

「驚喜真是一個接着一個。」佩納魯比亞說道。

許多研究小組都預測,這些異常「粗壯」的矮矮星可能會拖着銀河系的一部分旋轉。2020年,佩納魯比亞開始與彼得森合作尋找相關證據。

銀河系的新歷史

大麥哲倫星雲和小麥哲倫星雲在婆羅摩火山上空升起。這座火山是印度尼西亞爪哇島婆羅摩騰格塞梅魯國家公園的一座活火山。

尋找銀河系尺度的恆星運動要面臨一個挑戰,那就是銀河系堪稱一場由無數恆星組成的「暴風雪」,而天文學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間研究如何抵消地球和太陽的運動,以及如何平衡銀暈恆星的運動,這樣銀暈的外邊緣才可以作為一個靜止的背景。

他們在校準數據時發現,地球、太陽及其所處銀盤的其他區域,都在朝一個方向運動,並不是朝向大麥哲倫星雲的當前位置,而是朝着其在大約十億年前的位置(彼得森解釋道,銀河系是一隻笨拙的巨獸)。他們最近在《自然-天文學》(Nature Astronomy)雜志上詳述了這些發現。

銀盤相對銀暈的移動破壞了一個基本假設:銀河系是一個處於平衡狀態的物體。此前大多數天文學家認為,銀河系可能在太空中旋轉或滑動,但經過數十億年的演變,成熟的銀盤和銀暈已經穩定下來。

佩納魯比亞和彼得森的分析證明這種假設是錯誤的。即使在140億年之後,合並事件仍在繼續塑造着銀河系的整體形狀。這一認識反映了我們對天空中這條璀璨銀河的最新理解。「所有我們認為已知關於銀河系未來和歷史的一切,」彼得森說,「都需要一個新的模型來進行描述。」(任天)

來源:cnBeta