天文學家：銀河系就是任我打扮的小姑娘_風聞

　　原作者：Charlie Wood

　　翻譯：劉峯

　　校譯：DAIKIN

　　編排：Asensiosh

　　後台：庫特莉亞芙卡 李子琦 徐玖坤

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

　　在上面這個數字化模擬中，一個類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，銀河系在早期至少發生過一次這樣的大碰撞。

　　視頻來源 Koppelman, Villalobos & Helmi

　　當撒哈拉沙漠以南的非洲科伊桑族狩獵採集者注視着那條蜿蜒於夜空中的星塵之河，他們彷彿看見了篝火的餘燼。波利尼西亞水手們認為那是一條鯊魚在吞雲吐霧。古希臘人則看到了流淌的牛奶（gala），這最終產生了現代術語“銀河”（galaxy）。

　　進入20世紀，天文學家發現我們的銀河只是一個巨大恆星島中的一小塊，於是寫下了他們自己的銀河起源故事。簡而言之，近140億年前巨大的氣體和塵埃雲在重力作用下聚集在一起，形成了我們現在的銀河系。隨着時間的推移，兩個結構先後出現：首先是一個巨大的球形“銀暈”，隨後是一個密集且明亮的銀盤。數十億年後，我們的太陽系在這個圓盤內旋轉並逐漸形成於圓盤邊緣的旋臂中。於是我們看到的銀河就像灑出的牛奶一樣橫跨夜空。

　　然而，在過去兩年裏，研究人員幾乎重寫了銀河系歷史上的每一章節。到底發生了什麼事？答案是，他們拿到了更好的數據。

　　圖片説明 自2013年12月發射以來，蓋亞探測器徹底改變了我們對銀河系的理解

　　圖片來源 歐空局 / ATG 媒體實驗室

　　2018年4月25日，一個叫做蓋亞（Gaia）的歐洲空間探測器發佈了數量驚人的觀測數據。至為關鍵的是，蓋亞多年的觀測數據描繪了大約10億顆恆星的詳細運動，而先前的調查僅繪製過數千顆恆星的運動。這些新數據讓銀河系從之前的一片靜態區域變成了一個鮮活的生命體。法國斯特拉斯堡天文台的天文學家費德里科·塞斯蒂託感嘆道：“蓋亞發動了一場新的革命。”

　　全球天文學家們爭先恐後地下載這些動態的星圖，隨後發表了一連串的發現。例如，他們發現銀盤的一部分古老得令人難以置信。他們還發現了銀河系早期發生大碰撞的證據，以及銀河系繼續以意想不到的方式劇烈攪動的新跡象。

　　綜合起來，這些研究成果講述了一個嶄新的故事，關乎我們銀河系動盪的過去及其不斷變化的未來。愛丁堡大學的天文學家邁克爾·彼得森説：“我們對銀河系的印象變化得如此之快。重要的是，銀河系不是一個靜態天體，到處都在發生快速的變化。

　　極早期羣星

　　為了能回望銀河系的最初階段，天文學家不斷嘗試尋找當時誕生的恆星。這些恆星僅由氫和氦（它們是宇宙最原始的物質）組成。幸運的是，這些最早期的小恆星燃燒得比較慢，所以很多到現在依然閃耀。

　　經過幾十年的調查，研究人員收集了42顆這樣的古老恆星的星表，這些古老恆星被稱為極貧金屬星（對天文學家來説，任何比氦氣更重的原子都可以稱為金屬）。根據我們對銀河系的瞭解，一般情況下，這些恆星應該主要集中在銀河的整個銀暈（銀河最早形成的部分）。相比銀暈，此前人們認為銀盤可能需要額外的10億年才能使自身旋轉為一個扁平的盤狀，因此銀盤中的恆星應該含有更多的碳和氧等重元素。

　　圖片説明 Samuel Velasco

　　圖片來源 Quanta Magazine

　　2017年底，塞斯蒂託開始編寫代碼來分析蓋亞即將發佈的探測結果，以研究這個金屬貧乏的星羣如何運動。他認為也許這些恆星的球形運動路徑可以提供一些線索來解釋銀暈是如何形成的。

　　在蓋亞數據發佈後的日子裏，他從完整的數據集中提取了42顆古老恆星，然後跟蹤它們的運動。他發現，大多數恆星按照模型預測的軌跡流過銀暈。但有大約四分之一的恆星並非如此。相反，他們似乎卡在了銀盤中，那裏是銀河系最年輕的區域。“腫麼肥四？”塞斯蒂託想陷入了沉思。

　　後續研究證實，這些星星實際上是在銀盤長駐，而不是路過。通過最近的兩次巡天，塞斯蒂託和他的同事的數據庫中已經積累了大約5000顆貧金屬恆星。其中幾百顆恆星似乎是銀盤的永久居民。另一研究小組對另一項巡天所辨識出的約500顆恆星進行了篩選，發現其中大約十分之一的恆星平坦地分佈在圓形的類日軌道上。第三個研究小組發現，各種金屬含量不同的（因此年齡也不同）的恆星在扁平的盤狀軌道上運動。首席作者，巴黎天文台的天文學家保拉·迪·馬特奧感嘆道“這真是前所未聞啊！”。

　　這些怪異恆星是怎麼到達那裏的？塞斯蒂託推測，也許原始氣體團設法避開了從超新星中排出的金屬，然後坍塌形成這些看似古老的恆星。或者，當銀暈形成時，銀盤可能已經開始成形，比此前預期的提前了近10億年。

　　為了瞭解哪個解釋更為可能，他與德國波茨坦萊布尼茲天體物理學研究所的研究員托比亞斯·巴克進行了聯繫，該研究所專門製作數字星系模擬模型。過去的模擬結果通常先產生銀暈，然後產生銀盤，正如預期的那樣。但目前模擬模型還較為粗糙。

　　在這些模擬模型中，一個類銀河系星系從早期宇宙到現在歷經138億年形成並演化。最左邊的列顯示了不可見的暗物質的分佈;中間列顯示了的氣體温度（藍色是冷的，紅色的是熱的）;右列為恆星密度。每一行則突出顯示不同的大小比例：最上行是放大的銀盤、中間是中等距離的星系銀暈視圖、底部行是縮小的銀河系周圍的環境視圖。

　　視頻來源 Tobias Buck

　　巴克將模擬的精度增加了大約10個點。在該分辨率下，每次運行都需要大量的計算資源。儘管他可以使用德國萊布尼茨的超級計算中心，但一次模擬計算所耗時間仍需要三個月，而他重複了做了六次模擬計算。

　　這六次模擬中，有五次實現了銀河系的“真實再現”。其中兩次產生了大量金屬貧乏的銀盤區域恆星。

　　那些古老恆星是怎麼進入圓盤的？簡單地説，他們是外來人口。其中一部分在銀河系形成之前就已經在星雲中誕生。然後，星雲碰巧將一些恆星沉積到位於銀盤的運行軌道中。另外的一部分恆星則來自小型的“矮星系”，這些矮星系曾經與銀河系發生過碰撞，最終被合併到銀盤中。

　　該小組在今年11月發表的結果表明，經典的星系形成模型是不完整的。氣體雲確實會像預期的那樣坍塌成球形光暈。但是，外來的恆星如果進入角度合適的話，可以同時啓動銀盤的形成。巴克説，“理論家其實也沒有錯，不過他們漏掉了故事中一個重要的部分。”

　　暴力青年

　　故事並未到此結束。通過蓋亞數據，天文學家已經發現了銀河系災難性碰撞的直接證據。天文學家們以前認為銀河系有一個暴力的青春期，但新澤西州普林斯頓高等研究所的天文學家赫爾默·科佩爾曼，利用蓋亞的數據補齊了拼圖中最大的一塊。

　　科佩爾曼回憶道，蓋亞2018年的數據發佈是在一個週三，天文學家下載數據的瘋狂熱潮讓蓋亞的網站幾乎死機。他在週四處理了這些數據，到週五的時候，他知道自己可能遇到了一個深不可測的對象。在每一個方向上，他都看到大量的銀暈恆星以同樣奇特的方式在銀河系中心乒乓亂撞——這正是它們來自同一個矮星系的線索。科佩爾曼和他的同事們在週日之前準備好了一份簡短的論文，並在6月份進行了更詳細的分析。

　　銀河系的殘骸無處不在。銀暈內部6萬光年（並在每各方向延伸數十萬光年）範圍中，或許有一半的恆星來自這次的碰撞，這次碰撞可能使年輕的銀河系質量提高了10%。科佩爾曼説：“對我來説這真的改變了一切，我本預期會有很多不同的小型天體。”

　　數據模擬顯示的一個類銀河星系在100億年內的形成和演化過程。許多較小的矮星系逐漸與主星系撞擊，通常會合併到主星系中。

　　視頻來源 Tobias Buck

　　研究小組以希臘傳説中的原神大地女神蓋亞和她的兒子巨人恩克拉多斯的名字命名了這個闖入的星系：蓋亞-恩克拉多斯。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，並因其軌道形狀為它起了個諢名叫“臘腸”。

　　銀河系和蓋亞-恩克拉多斯星系的相撞也許發生在100億年前，當時銀河系精美的圓盤形狀可能遭受了大規模的破壞。天文學家們爭論着為什麼我們的銀盤似乎有兩個部分：一個薄的圓盤，以及另一個更厚的圓盤，恆星在銀河系中心運行時上下移動。迪·馬特奧領導的研究現在表明，蓋亞-恩克拉多斯在碰撞中炸掉了大部分銀盤，使銀盤膨脹起來。科佩爾曼説：“第一個早期銀盤形成得相當快，我們認為蓋亞-恩克拉多斯後來摧毀了它。

　　在被稱為球狀星團的星體中，發現了其他星系合併的線索。德國海德堡大學的天文學家迪德里克·克魯伊森利用星系模擬來訓練神經網絡，以便仔細研究球狀星團。他讓這個神經網絡研究星系的年齡、構成和軌道。從這些數據中，神經網絡可以重建星系的碰撞過程。然後，他將其參數設置為真正的銀河系的數據。該程序重建了已知的蓋亞-恩克拉多斯星系，以及一次更古老的，更重要的星系合併，該研究小組將其命名為克萊根（意為挪威傳説中的北海巨妖）星系。

　　今年8月，克魯伊森的研究小組公佈了銀河系和形成銀河系的矮星系的混血族譜。此外，他們還預測了另外10次星系合併，他們希望這些星系合併過程能通過獨立的觀測得到證實。克魯伊森説，“我們還沒有找到其他10個星系合併的證據，但我們會找到的。”

　　所有這些星系合併現象使得一些天文學家認為，銀暈可能幾乎完全由外來恆星組成。20世紀60年代和70年代的模型預測，大多數銀河系的銀暈恆星應該是在本地形成的。迪·馬特奧説，但隨着越來越多的恆星被確定為星系入侵者，天文學家可能不需要假設很多恆星（如果確實有的話）是本地恆星。

　　仍在成長的銀河

　　近期的銀河系來一直享受着歲月靜好、現世安穩的小日子，但外來者也在持續不斷匯入。南半球的觀星者可以肉眼發現一對被稱為大麥哲倫和小麥哲倫雲的矮星系。天文學家們一直認為這對是我們銀河忠誠的跟班，就像銀河系的衞星一樣。

　　然而，哈勃太空望遠鏡在2006年至2013年的一系列觀測發現它們更像是來襲的隕石。弗吉尼亞大學的天文學家尼塔·卡里夫雅裏將大小麥哲倫雲描述為以大約330公里/秒的速度飛來的闖入者，其速度幾乎是此前預測的兩倍。

　　幾年後，愛丁堡皇家天文台的天文學家豪爾赫·佩尼亞魯比亞領導的一個研究小組對這些數據進行計算時，他們得出一個結論，大小麥哲倫雲一定非常大——可能比之前認為的要大10倍。

　　佩尼亞魯比亞説：“太刺激了，一個surprise跟着一個surprise.”

　　多個研究小組預測，身材壯碩的矮星系可能會把部分恆星從銀河系中拖拽出去，今年佩尼亞魯比亞與彼得森合作尋找相關的證據。

　　探究星系級運動的難題在於，銀河系是一片猛烈的恆星暴風雪，而天文學家站在其中一片雪花向外看。因此，佩尼亞魯比亞和彼得森花了大部分時間思考如何抵消地球和太陽的運動，以及如何調和銀暈恆星的運動，使銀暈外緣可以作為一個靜止的背景。

　　當他們用這種方式校準數據時，他們發現地球、太陽和銀盤的其餘部分正朝着一個方向傾斜——不是朝大麥哲倫雲的當前位置，而是朝它大約10億年前的位置傾斜（彼得森解釋，銀河系是一個反應緩慢的笨重野獸）。他們最近在《自然天文學》上詳細介紹了他們的發現。

　　銀盤從銀暈滑出這一情況破壞了一個基本假設：銀河系是一個平衡的天體。大多數天文學家曾經認為，銀河系或許在早期時曾經歷動盪，但在過去了數十億年後，成熟的銀盤和銀暈應該已經進入到一個穩定的狀態。

　　然而佩尼亞魯比亞和彼得森的分析證明這種假設是錯誤的。即使在140億年後，星系合併仍在塑造着銀河系的總體形狀。這是我們對天空中銀河的最新理解。

　　彼得森表示：“我們需要一個新的模型，以描繪我們所知道的銀河系的未來和歷史。

　　圖片説明 大小麥哲倫雲在布羅莫山升起。布羅莫山是一個在印度尼西亞爪哇島布羅莫·塞梅魯·滕格爾國家公園的活火山。

　　圖片來源 Gilbert Vancell

『天文時刻』 牧夫出品

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圖片名稱 北部冬季之夜

​圖片來源 Adam Block