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【4xp】銀河系的歷史,正在被改寫

2021-01-13  造就Talk

在南非撒哈拉以南地區,靠打獵和尋覓食物為生的科伊桑族人抬頭仰望蜿蜒的星空,端詳夜空的星雲時,他們聯想到的是營火的餘燼,波利尼西亞水手看到的則是吞噬雲朵的鯊魚。

而古希臘人認為這看起來像灑了的牛奶(gala)——這一聯想最終孕育了我們現今所説的“星系”(galaxy)一詞。

在20世紀,天文學家發現,我們自己所在的銀河系不過是浩瀚宇宙的滄海一粟,還有更多的星系族羣,各自書寫着獨特的起源故事。

在數字模擬下,一個形似銀河系的星系與另一個較小的矮星系發生碰撞。天文學家相信,在銀河系初誕之期,至少發生過一次規模如此之大的碰撞

圖源:Koppelman,Villalobos & Helmi

簡單來説,我們的銀河系是大約140億年前形成的。在重力作用下,充滿氣體與塵埃的星雲團聚合起來,隨着時間推移,形成了兩個基本架構:一個巨大的球面光環和一個高密度高亮度的圓盤。

又過了數十億年,在這個圓盤之內,誕生了我們熟知的太陽系,因此,當我們仰望星空看到的這條“牛奶帶”,其實是銀河系圓盤橫跨天際的側面視角景觀。

然而,過去兩年以來,研究人員幾乎改寫了所有關於銀河系史的重要篇章。

到底發生了什麼?他們得到了更確切的數據。

2018年4月25日,一艘名為蓋亞(Gaia)的歐洲飛船獲得了海量關於星空的信息。可貴的是,蓋亞多年以來記錄了約超過10億顆恆星的運行細節,而之前的探索只停留在區區幾千顆。

新的數據為先前星系探索的靜態畫面增添了生機,“蓋亞開啓了一場新革命”,法國斯特拉斯堡天文台(Strasbourg Astronomical Observatory)的天文學家費德里科·賽斯提託(Federico Sestito)如是説。

天文學家爭先恐後地下載這一動態羣星圖,一系列新發現相繼問世。比如,他們發現圓盤的某些部分,歷史久遠地超乎常理。

同時,他們還找到了證據表明銀河系早期曾發生過規模宏大的碰撞,而之後仍然在以人們出乎意料的方式不斷髮展壯大。

2013年發射的蓋亞衞星帶來了革命性的銀河系新解

圖源:ESA / ATG medialab

綜上所述,這些發現為我們的銀河系譜寫了全新的篇章,上至其充滿動盪的過往,下至其永不停歇的未來。

“我們對銀河系的瞭解發展得如此迅速,”愛丁堡大學(University of Edinburgh)天文學家邁克爾·皮特森(Michael Petersen)表示,“這主要是因為,銀河系不是一個靜止的物體,許多領域都是如此,事物都在不斷變化。”

銀河系中最久遠的恆星

為了一窺銀河系初誕時的面貌,天文學家嘗試尋找彼時即存在的恆星。這些恆星僅由最原始的宇宙素材——氫和氦元素構成。幸運的是,這些庫存中的較小恆星燃燒速度也比較緩慢,因此迄今為止仍有不少還在發光。

為了一窺銀河系初誕時的面貌,天文學家嘗試尋找彼時即存在的恆星
圖源:Samuel Velasco/Quanta Magazine

歷經數十年的探索,關於這種古老的恆星,研究人員一共整合記錄了42顆,並稱其為金屬元素嚴重匱乏的恆星(對天文學家而言,任何比氦更大的原子都歸類為金屬元素)。

根據人們對銀河系教科書式的理解,這類恆星應該形成了銀河系外圍的光環部分,而另一方面,人們認為圓盤中的那些恆星,可能要再過十億年的時間才能平鋪開來,其構成中應該含有質量更重的碳和氧元素。

2017年末,賽斯提託着手研究這些金屬元素嚴重匱乏的恆星如何運行。他通過寫代碼分析蓋亞所得出數據,認為這些球狀路徑或許能為光環的形成帶來一些線索。

在蓋亞公佈數據幾天後,他在全部數據中截取了42顆遠古恆星數據,並追蹤其運行動態,正如所料,大部分穿梭光環而過,但有一些卻不同。

大約四分之一併沒有經過光環,而是卡在了圓盤之內,即銀河系初誕以來最年輕的區域。“見鬼了!”賽斯提託驚呼道,“為什麼會這樣?”

接下來的研究證實了,恆星確實是圓盤內的長期住户,而不僅僅是過客。在兩個近期研究中,賽斯提託和其同事整合了大約5000顆金屬元素嚴重匱乏恆星的文庫,其中幾百顆似乎是圓盤中的永久居民。

另一個團隊仔細審查了500顆恆星,發現十分之一的恆星身處於太陽系那樣平鋪旋轉的軌道中。還有一個團隊發現了許多不同金屬特性的恆星(也就是星齡不同)在圓盤狀軌道平鋪運行。

“這都是前所未見的,”來自巴黎天文台的天文學家、論文的通訊作者寶拉·迪·曼提奧(Paola Di Matteo)表示。

為什麼會存在這樣的出入?賽斯提託猜想,可能是有些原始的星雲團長久以來設法躲開了超新星散發出的金屬元素,進而崩塌形成恆星,頗具欺騙性地讓這顆恆星看起來年代久遠。

還有一種可能是,也許圓盤和光環是同時成型的,比原先認為的提前了10億年。

為了瞭解哪種可能性更具説服力,他聯繫了德國波茨坦萊布尼茨天體物理研究所的拜亞斯·巴克(Tobias Buck),該研究人員擅長構建星系數字模擬程序。

以往的研究通常得出的結論是,光環先於圓盤成型。但這些研究往往受限於低清晰度。

在這些數字模擬中,一個類似銀河系的星系經歷了138億年的成型發展階段,從宇宙起源之初直到如今。左側一欄展示的是可見的暗物質分佈,中間一欄顯示的是氣體的温度(藍色為冷,紅色為熱),右側一欄顯示恆星密度。每一橫行代表不同的縮放尺度,第一行是星系圓盤的近距離影像,第二行遠近適中,第三行則為星系全貌的縮放遠景圖
圖源:Tobias Buck

巴克將模擬的精度調高了約10個單位,在這一分辨率下,每一輪模擬需要極高的電腦計算力。

儘管他可以進入德國萊布尼茨超級電腦中心,一輪模擬仍需要三個月的時間來完成。這一實驗他重複做了六次

在這六次實驗中,有五次模擬出了與銀河系同樣的結果,其中兩次包含大量的缺乏金屬元素的圓盤恆星。

這些遠古的恆星是怎麼進入圓盤的?簡單來説,它們是天體移民。這些恆星有一部分來自早於銀河系產生的雲團,這些雲團碰巧將部分恆星留在了一些軌道中,而這些軌道隨後構成了銀河系圓盤的一部分。

還有一些恆星來自於較小的矮星系,與銀河系發生碰撞後與正在生成的圓盤合併在了一起。

11月發表的研究結果顯示,經典星系形成模型並不完善。氣體團的確會崩塌形成球面光環,在適當角度下,恆星的到來也可以同時創造一個圓盤。

“並不是理論家判斷錯了,”巴克説道,“他們只是沒有看到事實的全貌。”

銀河系早期動盪不安

事情的複雜程度還不止於此。通過蓋亞的數據,天文學家發現了巨型碰撞的直接證據,他們猜想,銀河系有一個動盪不安的早期。

但是新澤西普林斯頓高等研究院的天文學家海默·科博曼(Helmer Koppelman)通過蓋亞的數據,定位了一些切實可尋的殘骸,這些殘骸來自幾次大型星系融合之一。

模擬顯示,一個類似銀河系的星系大約100億年來從誕生到演進的過程,許多小矮星系與主星系融合,通常會變成其中的一部分
圖源:Tobias Buck

2018年的某個星期三,蓋亞公佈了數據,瘋狂湧入的大量下載導致網站癱瘓,科博曼回憶道。他週四對數據進行了一番處理,在週五之前便預料到自己將有重大發現。

他發現,在每個方向上都有極大數量的光環星體以銀河系為中心,用同樣奇怪的方式來回彈跳,這是一個線索,表明它們來自於同一個矮星系。科博曼機器同事在周天前撰寫了一篇簡要論文,並在六月進行了更加詳盡具體的分析。

星系的殘骸隨處可見,也許在光環60000光年以內,超過半數的恆星都只來源於同一場碰撞,使得早期銀河系的質量增幅高達百分之十。“這無疑改變了我原來的觀點,”科博曼説道。

該團隊將新發現的星系命名為蓋亞-恩克拉多斯(Gaia-Enceladus),這個名字來源於希臘神話中的大地女神蓋亞,以及她的泰坦兒子恩克拉多斯。

劍橋大學的一個研究團隊也幾乎同時發現了這一星系,他們根據其軌道某些形狀把它命名為“香腸”星系(Sausage)。

大約100億年前,當銀河系和蓋亞-恩克拉多斯星系發生碰撞時,銀河系脆弱的圓盤可能遭受了很大損傷。

天文學家對我們的星系圓盤為何看起來存在兩個部分存在爭議,這兩個部分一個比較薄,另一個比較厚,且恆星在其間一邊上下跳動一邊圍繞銀河系中心運轉。

由迪·曼提奧(Di Matteo)帶頭進行的一項研究表明,蓋亞-恩克拉多斯星系爆破了大部分圓盤,在碰撞時使它們膨脹。“第一個原始圓盤的成型速度非常之快,然而我們認為是蓋亞-恩克拉多斯星系摧毀了它。”科博曼表示。

更多融合跡象在一些被稱為球狀星團(globular clusters)的恆星中被發現。德國海德堡大學(Heidelberg University)天文學家迪艾德里克·克魯吉森(Diederik Kruijssen)用模擬法訓練神經網絡來詳細瞭解球狀星團。

他研究了星團的年齡、構造以及運行軌道,通過這些數據,神經網絡可以再現星系碰撞後的重組過程,接着他將真實銀河系的數據代入這一研究,還原了我們已知的蓋亞-恩克拉多斯事件。

同時也展示了更遠古更為顯著的融合現象,研究團隊稱其為克拉肯(Kraken)現象。

八月份,克魯吉森團隊發佈了銀河系的融合演進圖系,以及參與其間的矮星系。他們同時預測了先前還發生過十次碰撞事件,並希望其他的獨立觀測能給予證實。“我們還沒有證實這十次碰撞,但我們會的。”克魯吉森表示。

迪·曼提奧解釋道,“所有的這些融合現象讓一些天文學家認識到,光環或許幾乎全是外來星體所組成的;

根據20世紀60到70年代的模型顯示,銀河系光環上的多數星體都是在各自位置上自行產生的。隨着更多的星體被證實為擅闖者,天文學家或者需要相信,許多星體並非來自本星系,甚至所有都是外來户。

銀河系仍在不斷壯大

漫長的時光以來,銀河系有着一段相對平靜安寧的歷史,但新來者仍然絡繹不絕,位於南半球的觀星者用肉眼就能看到一對矮星系,名為大麥哲倫星雲和小麥哲倫星雲(Large and Small Magellanic Clouds)。

天文學家素來認為,這一對星系長久以來就像月球一樣,是不停環繞我們銀河系的忠實夥伴。

大小麥哲倫星雲升起於布羅莫山,這是位於印度尼西亞瓜哇國家公園的一座活火山
圖源:Gilbert Vancell

自2006年至2013年期間,哈勃太空望遠鏡的一系列觀測發現,這一對矮星系更像是飛速駛來的隕石。

據弗吉尼亞大學天文學家尼特亞·卡里瓦亞利(Nitya Kallivayalil)的估算,這一對星雲駛來的速度達到每秒330公里,比先前預計的幾乎快了兩倍。

由愛丁堡皇家天文台天文學家喬治·派納盧比亞(Jorge Peñarrubia)率領的團隊分析了所有數據,多年後最終得出結論,這一對飛速駛來的星雲一定極具重量,可能要比先前估計的體積龐大10倍

“意外一個接着一個。”派納盧比亞説。許多研究團隊猜測,這一對重量超乎想象的矮星系或許拉扯着銀河系的一部分在運行。而這一年,派納盧比亞的團隊與皮特森進行了合作,聯手尋找證據。

要想追尋星系規模的運動軌跡,天文學家面臨一大難題,因為銀河系像是一場由星體組成的暴風雪,而他們只是根據其中一片雪花從外往裏觀察。

派納盧比亞和皮特森在疫情期間嘗試如何抵消地球和太陽運行軌跡帶來的影響,以及如何將位於光環之內的恆星的運動軌跡平均到一個固定範圍,這樣一來,光環的邊緣區域就可以假定為靜止狀態。

基於這種假定,他們在校準數據的時候發現,地球、太陽以及所處圓盤的其他部分都在朝一個方向傾斜,並不是大麥哲倫星雲目前所在位置的方向,而是朝向圓盤10億年前的位置。

皮特森解釋説,這表明銀河系就像一頭笨重的巨獸,反射神經相對緩慢。近日,他們在《自然天文學》(Nature Astronomy)雜誌上發表論文,詳盡地敍述了這一發現。(注:太陽系位於銀河系圓盤的近似平面上。)

銀河系是一個處於平衡狀態的物體,但圓盤朝向光環的傾斜使這個基本假説站不住腳了。

事實上,圓盤可以在宇宙空間中旋轉滑動,然而在這之前,多數天文學家認為在歷經數十億年後,演化成熟的圓盤和光環已形成一個穩定的架構。

派納盧比亞和皮特森的分析進一步證實了該假説是錯誤的。即使過了140億年,融合現象依然在影響着銀河系的塑形。這一發現是我們對銀河系的最新見解。

“我們關於銀河系歷史與未來的新發現,亟待開發一個新的模型來佐證和描述。”皮特森説。

參考:

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

(本文未經造就授權,禁止轉載。)

編譯 | Gabrielle
版面 | 小顧

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