天文学家：银河系就是任我打扮的小姑娘_风闻

　　原作者：Charlie Wood

　　翻译：刘峰

　　校译：DAIKIN

　　编排：Asensiosh

　　后台：库特莉亚芙卡 李子琦 徐玖坤

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

　　在上面这个数字化模拟中，一个类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，银河系在早期至少发生过一次这样的大碰撞。

　　视频来源 Koppelman, Villalobos & Helmi

　　当撒哈拉沙漠以南的非洲科伊桑族狩猎采集者注视着那条蜿蜒于夜空中的星尘之河，他们仿佛看见了篝火的余烬。波利尼西亚水手们认为那是一条鲨鱼在吞云吐雾。古希腊人则看到了流淌的牛奶（gala），这最终产生了现代术语“银河”（galaxy）。

　　进入20世纪，天文学家发现我们的银河只是一个巨大恒星岛中的一小块，于是写下了他们自己的银河起源故事。简而言之，近140亿年前巨大的气体和尘埃云在重力作用下聚集在一起，形成了我们现在的银河系。随着时间的推移，两个结构先后出现：首先是一个巨大的球形“银晕”，随后是一个密集且明亮的银盘。数十亿年后，我们的太阳系在这个圆盘内旋转并逐渐形成于圆盘边缘的旋臂中。于是我们看到的银河就像洒出的牛奶一样横跨夜空。

　　然而，在过去两年里，研究人员几乎重写了银河系历史上的每一章节。到底发生了什么事？答案是，他们拿到了更好的数据。

　　图片说明 自2013年12月发射以来，盖亚探测器彻底改变了我们对银河系的理解

　　图片来源 欧空局 / ATG 媒体实验室

　　2018年4月25日，一个叫做盖亚（Gaia）的欧洲空间探测器发布了数量惊人的观测数据。至为关键的是，盖亚多年的观测数据描绘了大约10亿颗恒星的详细运动，而先前的调查仅绘制过数千颗恒星的运动。这些新数据让银河系从之前的一片静态区域变成了一个鲜活的生命体。法国斯特拉斯堡天文台的天文学家费德里科·塞斯蒂托感叹道：“盖亚发动了一场新的革命。”

　　全球天文学家们争先恐后地下载这些动态的星图，随后发表了一连串的发现。例如，他们发现银盘的一部分古老得令人难以置信。他们还发现了银河系早期发生大碰撞的证据，以及银河系继续以意想不到的方式剧烈搅动的新迹象。

　　综合起来，这些研究成果讲述了一个崭新的故事，关乎我们银河系动荡的过去及其不断变化的未来。爱丁堡大学的天文学家迈克尔·彼得森说：“我们对银河系的印象变化得如此之快。重要的是，银河系不是一个静态天体，到处都在发生快速的变化。

　　极早期群星

　　为了能回望银河系的最初阶段，天文学家不断尝试寻找当时诞生的恒星。这些恒星仅由氢和氦（它们是宇宙最原始的物质）组成。幸运的是，这些最早期的小恒星燃烧得比较慢，所以很多到现在依然闪耀。

　　经过几十年的调查，研究人员收集了42颗这样的古老恒星的星表，这些古老恒星被称为极贫金属星（对天文学家来说，任何比氦气更重的原子都可以称为金属）。根据我们对银河系的了解，一般情况下，这些恒星应该主要集中在银河的整个银晕（银河最早形成的部分）。相比银晕，此前人们认为银盘可能需要额外的10亿年才能使自身旋转为一个扁平的盘状，因此银盘中的恒星应该含有更多的碳和氧等重元素。

　　图片说明 Samuel Velasco

　　图片来源 Quanta Magazine

　　2017年底，塞斯蒂托开始编写代码来分析盖亚即将发布的探测结果，以研究这个金属贫乏的星群如何运动。他认为也许这些恒星的球形运动路径可以提供一些线索来解释银晕是如何形成的。

　　在盖亚数据发布后的日子里，他从完整的数据集中提取了42颗古老恒星，然后跟踪它们的运动。他发现，大多数恒星按照模型预测的轨迹流过银晕。但有大约四分之一的恒星并非如此。相反，他们似乎卡在了银盘中，那里是银河系最年轻的区域。“肿么肥四？”塞斯蒂托想陷入了沉思。

　　后续研究证实，这些星星实际上是在银盘长驻，而不是路过。通过最近的两次巡天，塞斯蒂托和他的同事的数据库中已经积累了大约5000颗贫金属恒星。其中几百颗恒星似乎是银盘的永久居民。另一研究小组对另一项巡天所辨识出的约500颗恒星进行了筛选，发现其中大约十分之一的恒星平坦地分布在圆形的类日轨道上。第三个研究小组发现，各种金属含量不同的（因此年龄也不同）的恒星在扁平的盘状轨道上运动。首席作者，巴黎天文台的天文学家保拉·迪·马特奥感叹道“这真是前所未闻啊！”。

　　这些怪异恒星是怎么到达那里的？塞斯蒂托推测，也许原始气体团设法避开了从超新星中排出的金属，然后坍塌形成这些看似古老的恒星。或者，当银晕形成时，银盘可能已经开始成形，比此前预期的提前了近10亿年。

　　为了了解哪个解释更为可能，他与德国波茨坦莱布尼兹天体物理学研究所的研究员托比亚斯·巴克进行了联系，该研究所专门制作数字星系模拟模型。过去的模拟结果通常先产生银晕，然后产生银盘，正如预期的那样。但目前模拟模型还较为粗糙。

　　在这些模拟模型中，一个类银河系星系从早期宇宙到现在历经138亿年形成并演化。最左边的列显示了不可见的暗物质的分布;中间列显示了的气体温度（蓝色是冷的，红色的是热的）;右列为恒星密度。每一行则突出显示不同的大小比例：最上行是放大的银盘、中间是中等距离的星系银晕视图、底部行是缩小的银河系周围的环境视图。

　　视频来源 Tobias Buck

　　巴克将模拟的精度增加了大约10个点。在该分辨率下，每次运行都需要大量的计算资源。尽管他可以使用德国莱布尼茨的超级计算中心，但一次模拟计算所耗时间仍需要三个月，而他重复了做了六次模拟计算。

　　这六次模拟中，有五次实现了银河系的“真实再现”。其中两次产生了大量金属贫乏的银盘区域恒星。

　　那些古老恒星是怎么进入圆盘的？简单地说，他们是外来人口。其中一部分在银河系形成之前就已经在星云中诞生。然后，星云碰巧将一些恒星沉积到位于银盘的运行轨道中。另外的一部分恒星则来自小型的“矮星系”，这些矮星系曾经与银河系发生过碰撞，最终被合并到银盘中。

　　该小组在今年11月发表的结果表明，经典的星系形成模型是不完整的。气体云确实会像预期的那样坍塌成球形光晕。但是，外来的恒星如果进入角度合适的话，可以同时启动银盘的形成。巴克说，“理论家其实也没有错，不过他们漏掉了故事中一个重要的部分。”

　　暴力青年

　　故事并未到此结束。通过盖亚数据，天文学家已经发现了银河系灾难性碰撞的直接证据。天文学家们以前认为银河系有一个暴力的青春期，但新泽西州普林斯顿高等研究所的天文学家赫尔默·科佩尔曼，利用盖亚的数据补齐了拼图中最大的一块。

　　科佩尔曼回忆道，盖亚2018年的数据发布是在一个周三，天文学家下载数据的疯狂热潮让盖亚的网站几乎死机。他在周四处理了这些数据，到周五的时候，他知道自己可能遇到了一个深不可测的对象。在每一个方向上，他都看到大量的银晕恒星以同样奇特的方式在银河系中心乒乓乱撞——这正是它们来自同一个矮星系的线索。科佩尔曼和他的同事们在周日之前准备好了一份简短的论文，并在6月份进行了更详细的分析。

　　银河系的残骸无处不在。银晕内部6万光年（并在每各方向延伸数十万光年）范围中，或许有一半的恒星来自这次的碰撞，这次碰撞可能使年轻的银河系质量提高了10%。科佩尔曼说：“对我来说这真的改变了一切，我本预期会有很多不同的小型天体。”

　　数据模拟显示的一个类银河星系在100亿年内的形成和演化过程。许多较小的矮星系逐渐与主星系撞击，通常会合并到主星系中。

　　视频来源 Tobias Buck

　　研究小组以希腊传说中的原神大地女神盖亚和她的儿子巨人恩克拉多斯的名字命名了这个闯入的星系：盖亚-恩克拉多斯。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，并因其轨道形状为它起了个诨名叫“腊肠”。

　　银河系和盖亚-恩克拉多斯星系的相撞也许发生在100亿年前，当时银河系精美的圆盘形状可能遭受了大规模的破坏。天文学家们争论着为什么我们的银盘似乎有两个部分：一个薄的圆盘，以及另一个更厚的圆盘，恒星在银河系中心运行时上下移动。迪·马特奥领导的研究现在表明，盖亚-恩克拉多斯在碰撞中炸掉了大部分银盘，使银盘膨胀起来。科佩尔曼说：“第一个早期银盘形成得相当快，我们认为盖亚-恩克拉多斯后来摧毁了它。

　　在被称为球状星团的星体中，发现了其他星系合并的线索。德国海德堡大学的天文学家迪德里克·克鲁伊森利用星系模拟来训练神经网络，以便仔细研究球状星团。他让这个神经网络研究星系的年龄、构成和轨道。从这些数据中，神经网络可以重建星系的碰撞过程。然后，他将其参数设置为真正的银河系的数据。该程序重建了已知的盖亚-恩克拉多斯星系，以及一次更古老的，更重要的星系合并，该研究小组将其命名为克莱根（意为挪威传说中的北海巨妖）星系。

　　今年8月，克鲁伊森的研究小组公布了银河系和形成银河系的矮星系的混血族谱。此外，他们还预测了另外10次星系合并，他们希望这些星系合并过程能通过独立的观测得到证实。克鲁伊森说，“我们还没有找到其他10个星系合并的证据，但我们会找到的。”

　　所有这些星系合并现象使得一些天文学家认为，银晕可能几乎完全由外来恒星组成。20世纪60年代和70年代的模型预测，大多数银河系的银晕恒星应该是在本地形成的。迪·马特奥说，但随着越来越多的恒星被确定为星系入侵者，天文学家可能不需要假设很多恒星（如果确实有的话）是本地恒星。

　　仍在成长的银河

　　近期的银河系来一直享受着岁月静好、现世安稳的小日子，但外来者也在持续不断汇入。南半球的观星者可以肉眼发现一对被称为大麦哲伦和小麦哲伦云的矮星系。天文学家们一直认为这对是我们银河忠诚的跟班，就像银河系的卫星一样。

　　然而，哈勃太空望远镜在2006年至2013年的一系列观测发现它们更像是来袭的陨石。弗吉尼亚大学的天文学家尼塔·卡里夫雅里将大小麦哲伦云描述为以大约330公里/秒的速度飞来的闯入者，其速度几乎是此前预测的两倍。

　　几年后，爱丁堡皇家天文台的天文学家豪尔赫·佩尼亚鲁比亚领导的一个研究小组对这些数据进行计算时，他们得出一个结论，大小麦哲伦云一定非常大——可能比之前认为的要大10倍。

　　佩尼亚鲁比亚说：“太刺激了，一个surprise跟着一个surprise.”

　　多个研究小组预测，身材壮硕的矮星系可能会把部分恒星从银河系中拖拽出去，今年佩尼亚鲁比亚与彼得森合作寻找相关的证据。

　　探究星系级运动的难题在于，银河系是一片猛烈的恒星暴风雪，而天文学家站在其中一片雪花向外看。因此，佩尼亚鲁比亚和彼得森花了大部分时间思考如何抵消地球和太阳的运动，以及如何调和银晕恒星的运动，使银晕外缘可以作为一个静止的背景。

　　当他们用这种方式校准数据时，他们发现地球、太阳和银盘的其余部分正朝着一个方向倾斜——不是朝大麦哲伦云的当前位置，而是朝它大约10亿年前的位置倾斜（彼得森解释，银河系是一个反应缓慢的笨重野兽）。他们最近在《自然天文学》上详细介绍了他们的发现。

　　银盘从银晕滑出这一情况破坏了一个基本假设：银河系是一个平衡的天体。大多数天文学家曾经认为，银河系或许在早期时曾经历动荡，但在过去了数十亿年后，成熟的银盘和银晕应该已经进入到一个稳定的状态。

　　然而佩尼亚鲁比亚和彼得森的分析证明这种假设是错误的。即使在140亿年后，星系合并仍在塑造着银河系的总体形状。这是我们对天空中银河的最新理解。

　　彼得森表示：“我们需要一个新的模型，以描绘我们所知道的银河系的未来和历史。

　　图片说明 大小麦哲伦云在布罗莫山升起。布罗莫山是一个在印度尼西亚爪哇岛布罗莫·塞梅鲁·滕格尔国家公园的活火山。

　　图片来源 Gilbert Vancell

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图片名称 北部冬季之夜

​图片来源 Adam Block