银河系的历史,正在被改写
2021-01-12 18:33

银河系的历史,正在被改写

本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),编译:Gabrielle,头图来自:unsplash


在南非撒哈拉以南地区,靠打猎和寻觅食物为生的科伊桑族人抬头仰望蜿蜒的星空,端详夜空的星云时,他们联想到的是营火的余烬,波利尼西亚水手看到的则是吞噬云朵的鲨鱼。


而古希腊人认为这看起来像洒了的牛奶(gala)——这一联想最终孕育了我们现今所说的“星系”(galaxy)一词。


在20世纪,天文学家发现,我们自己所在的银河系不过是浩瀚宇宙的沧海一粟,还有更多的星系族群,各自书写着独特的起源故事。


在数字模拟下,一个形似银河系的星系与另一个较小的矮星系发生碰撞。天文学家相信,在银河系初诞之期,至少发生过一次规模如此之大的碰撞

图源:Koppelman,Villalobos & Helmi


简单来说,我们的银河系是大约140亿年前形成的。在重力作用下,充满气体与尘埃的星云团聚合起来,随着时间推移,形成了两个基本架构:一个巨大的球面光环和一个高密度高亮度的圆盘。


又过了数十亿年,在这个圆盘之内,诞生了我们熟知的太阳系,因此,当我们仰望星空看到的这条“牛奶带”,其实是银河系圆盘横跨天际的侧面视角景观。


然而,过去两年以来,研究人员几乎改写了所有关于银河系史的重要篇章。


到底发生了什么?他们得到了更确切的数据。


2018年4月25日,一艘名为盖亚(Gaia)的欧洲飞船获得了海量关于星空的信息。可贵的是,盖亚多年以来记录了约超过10亿颗恒星的运行细节,而之前的探索只停留在区区几千颗。


新的数据为先前星系探索的静态画面增添了生机,“盖亚开启了一场新革命”,法国斯特拉斯堡天文台(Strasbourg Astronomical Observatory)的天文学家费德里科·赛斯提托(Federico Sestito)如是说。


天文学家争先恐后地下载这一动态群星图,一系列新发现相继问世。比如,他们发现圆盘的某些部分,历史久远地超乎常理。


同时,他们还找到了证据表明银河系早期曾发生过规模宏大的碰撞,而之后仍然在以人们出乎意料的方式不断发展壮大。


2013年发射的盖亚卫星带来了革命性的银河系新解

图源:ESA / ATG medialab


综上所述,这些发现为我们的银河系谱写了全新的篇章,上至其充满动荡的过往,下至其永不停歇的未来。


“我们对银河系的了解发展得如此迅速,”爱丁堡大学(University of Edinburgh)天文学家迈克尔·皮特森(Michael Petersen)表示,“这主要是因为,银河系不是一个静止的物体,许多领域都是如此,事物都在不断变化。”


银河系中最久远的恒星


为了一窥银河系初诞时的面貌,天文学家尝试寻找彼时即存在的恒星。这些恒星仅由最原始的宇宙素材——氢和氦元素构成。幸运的是,这些库存中的较小恒星燃烧速度也比较缓慢,因此迄今为止仍有不少还在发光。


为了一窥银河系初诞时的面貌,天文学家尝试寻找彼时即存在的恒星

图源:Samuel Velasco/Quanta Magazine


历经数十年的探索,关于这种古老的恒星,研究人员一共整合记录了42颗,并称其为金属元素严重匮乏的恒星(对天文学家而言,任何比氦更大的原子都归类为金属元素)


根据人们对银河系教科书式的理解,这类恒星应该形成了银河系外围的光环部分,而另一方面,人们认为圆盘中的那些恒星,可能要再过十亿年的时间才能平铺开来,其构成中应该含有质量更重的碳和氧元素。


2017年末,赛斯提托着手研究这些金属元素严重匮乏的恒星如何运行。他通过写代码分析盖亚所得出数据,认为这些球状路径或许能为光环的形成带来一些线索。


在盖亚公布数据几天后,他在全部数据中截取了42颗远古恒星数据,并追踪其运行动态,正如所料,大部分穿梭光环而过,但有一些却不同。


大约四分之一并没有经过光环,而是卡在了圆盘之内,即银河系初诞以来最年轻的区域。“见鬼了!”赛斯提托惊呼道,“为什么会这样?”


接下来的研究证实了,恒星确实是圆盘内的长期住户,而不仅仅是过客。在两个近期研究中,赛斯提托和其同事整合了大约5000颗金属元素严重匮乏恒星的文库,其中几百颗似乎是圆盘中的永久居民。


另一个团队仔细审查了500颗恒星,发现十分之一的恒星身处于太阳系那样平铺旋转的轨道中。还有一个团队发现了许多不同金属特性的恒星(也就是星龄不同)在圆盘状轨道平铺运行。


“这都是前所未见的,”来自巴黎天文台的天文学家、论文的通讯作者宝拉·迪·曼提奥(Paola Di Matteo)表示。


为什么会存在这样的出入?赛斯提托猜想,可能是有些原始的星云团长久以来设法躲开了超新星散发出的金属元素,进而崩塌形成恒星,颇具欺骗性地让这颗恒星看起来年代久远。


还有一种可能是,也许圆盘和光环是同时成型的,比原先认为的提前了10亿年。


为了了解哪种可能性更具说服力,他联系了德国波茨坦莱布尼茨天体物理研究所的拜亚斯·巴克(Tobias Buck),该研究人员擅长构建星系数字模拟程序。


以往的研究通常得出的结论是,光环先于圆盘成型。但这些研究往往受限于低清晰度。


在这些数字模拟中,一个类似银河系的星系经历了138亿年的成型发展阶段,从宇宙起源之初直到如今。左侧一栏展示的是可见的暗物质分布,中间一栏显示的是气体的温度(蓝色为冷,红色为热),右侧一栏显示恒星密度。每一横行代表不同的缩放尺度,第一行是星系圆盘的近距离影像,第二行远近适中,第三行则为星系全貌的缩放远景图

图源:Tobias Buck


巴克将模拟的精度调高了约10个单位,在这一分辨率下,每一轮模拟需要极高的电脑计算力。


尽管他可以进入德国莱布尼茨超级电脑中心,一轮模拟仍需要三个月的时间来完成。这一实验他重复做了六次。


在这六次实验中,有五次模拟出了与银河系同样的结果,其中两次包含大量的缺乏金属元素的圆盘恒星。


这些远古的恒星是怎么进入圆盘的?简单来说,它们是天体移民。这些恒星有一部分来自早于银河系产生的云团,这些云团碰巧将部分恒星留在了一些轨道中,而这些轨道随后构成了银河系圆盘的一部分。


还有一些恒星来自于较小的矮星系,与银河系发生碰撞后与正在生成的圆盘合并在了一起。


11月发表的研究结果显示,经典星系形成模型并不完善。气体团的确会崩塌形成球面光环,在适当角度下,恒星的到来也可以同时创造一个圆盘。


“并不是理论家判断错了,”巴克说道,“他们只是没有看到事实的全貌。”


银河系早期动荡不安


事情的复杂程度还不止于此。通过盖亚的数据,天文学家发现了巨型碰撞的直接证据,他们猜想,银河系有一个动荡不安的早期


但是新泽西普林斯顿高等研究院的天文学家海默·科博曼(Helmer Koppelman)通过盖亚的数据,定位了一些切实可寻的残骸,这些残骸来自几次大型星系融合之一。


模拟显示,一个类似银河系的星系大约100亿年来从诞生到演进的过程,许多小矮星系与主星系融合,通常会变成其中的一部分

图源:Tobias Buck


2018年的某个星期三,盖亚公布了数据,疯狂涌入的大量下载导致网站瘫痪,科博曼回忆道。他周四对数据进行了一番处理,在周五之前便预料到自己将有重大发现。


他发现,在每个方向上都有极大数量的光环星体以银河系为中心,用同样奇怪的方式来回弹跳,这是一个线索,表明它们来自于同一个矮星系。科博曼机器同事在周天前撰写了一篇简要论文,并在六月进行了更加详尽具体的分析。


星系的残骸随处可见,也许在光环60000光年以内,超过半数的恒星都只来源于同一场碰撞,使得早期银河系的质量增幅高达百分之十。“这无疑改变了我原来的观点,”科博曼说道。


该团队将新发现的星系命名为盖亚-恩克拉多斯(Gaia-Enceladus),这个名字来源于希腊神话中的大地女神盖亚,以及她的泰坦儿子恩克拉多斯。


剑桥大学的一个研究团队也几乎同时发现了这一星系,他们根据其轨道某些形状把它命名为“香肠”星系(Sausage)


大约100亿年前,当银河系和盖亚-恩克拉多斯星系发生碰撞时,银河系脆弱的圆盘可能遭受了很大损伤。


天文学家对我们的星系圆盘为何看起来存在两个部分存在争议,这两个部分一个比较薄,另一个比较厚,且恒星在其间一边上下跳动一边围绕银河系中心运转。


由迪·曼提奥(Di Matteo)带头进行的一项研究表明,盖亚-恩克拉多斯星系爆破了大部分圆盘,在碰撞时使它们膨胀。“第一个原始圆盘的成型速度非常之快,然而我们认为是盖亚-恩克拉多斯星系摧毁了它。”科博曼表示。


更多融合迹象在一些被称为球状星团(globular clusters)的恒星中被发现。德国海德堡大学(Heidelberg University)天文学家迪艾德里克·克鲁吉森(Diederik Kruijssen)用模拟法训练神经网络来详细了解球状星团。


他研究了星团的年龄、构造以及运行轨道,通过这些数据,神经网络可以再现星系碰撞后的重组过程,接着他将真实银河系的数据代入这一研究,还原了我们已知的盖亚-恩克拉多斯事件。


同时也展示了更远古更为显著的融合现象,研究团队称其为克拉肯(Kraken)现象。


八月份,克鲁吉森团队发布了银河系的融合演进图系,以及参与其间的矮星系。他们同时预测了先前还发生过十次碰撞事件,并希望其他的独立观测能给予证实。“我们还没有证实这十次碰撞,但我们会的。”克鲁吉森表示。


迪·曼提奥解释道,“所有的这些融合现象让一些天文学家认识到,光环或许几乎全是外来星体所组成的;根据20世纪60到70年代的模型显示,银河系光环上的多数星体都是在各自位置上自行产生的。随着更多的星体被证实为擅闯者,天文学家或者需要相信,许多星体并非来自本星系,甚至所有都是外来户。”


银河系仍在不断壮大


漫长的时光以来,银河系有着一段相对平静安宁的历史,但新来者仍然络绎不绝,位于南半球的观星者用肉眼就能看到一对矮星系,名为大麦哲伦星云和小麦哲伦星云(Large and Small Magellanic Clouds)


天文学家素来认为,这一对星系长久以来就像月球一样,是不停环绕我们银河系的忠实伙伴。


大小麦哲伦星云升起于布罗莫山,这是位于印度尼西亚瓜哇国家公园的一座活火山

图源:Gilbert Vancell


自2006年至2013年期间,哈勃太空望远镜的一系列观测发现,这一对矮星系更像是飞速驶来的陨石。


据弗吉尼亚大学天文学家尼特亚·卡里瓦亚利(Nitya Kallivayalil)的估算,这一对星云驶来的速度达到每秒330公里,比先前预计的几乎快了两倍。


由爱丁堡皇家天文台天文学家乔治·派纳卢比亚(Jorge Peñarrubia)率领的团队分析了所有数据,多年后最终得出结论,这一对飞速驶来的星云一定极具重量,可能要比先前估计的体积庞大10倍。


“意外一个接着一个。”派纳卢比亚说。许多研究团队猜测,这一对重量超乎想象的矮星系或许拉扯着银河系的一部分在运行。而这一年,派纳卢比亚的团队与皮特森进行了合作,联手寻找证据。


要想追寻星系规模的运动轨迹,天文学家面临一大难题,因为银河系像是一场由星体组成的暴风雪,而他们只是根据其中一片雪花从外往里观察。


派纳卢比亚和皮特森在疫情期间尝试如何抵消地球和太阳运行轨迹带来的影响,以及如何将位于光环之内的恒星的运动轨迹平均到一个固定范围,这样一来,光环的边缘区域就可以假定为静止状态。


基于这种假定,他们在校准数据的时候发现,地球、太阳以及所处圆盘的其他部分都在朝一个方向倾斜,并不是大麦哲伦星云目前所在位置的方向,而是朝向圆盘10亿年前的位置


皮特森解释说,这表明银河系就像一头笨重的巨兽,反射神经相对缓慢。近日,他们在《自然天文学》(Nature Astronomy)杂志上发表论文,详尽地叙述了这一发现。(注:太阳系位于银河系圆盘的近似平面上。)


银河系是一个处于平衡状态的物体,但圆盘朝向光环的倾斜使这个基本假说站不住脚了。


事实上,圆盘可以在宇宙空间中旋转滑动,然而在这之前,多数天文学家认为在历经数十亿年后,演化成熟的圆盘和光环已形成一个稳定的架构。


派纳卢比亚和皮特森的分析进一步证实了该假说是错误的。即使过了140亿年,融合现象依然在影响着银河系的塑形。这一发现是我们对银河系的最新见解。


“我们关于银河系历史与未来的新发现,亟待开发一个新的模型来佐证和描述。”皮特森说。


参考:

https://www.quantamagazine.org/the-new-history-of-the-milky-way-20201215/


本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),编译:Gabrielle

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