文/卢 旭 谢 懿
人类自古以来就为银河着迷。在古希腊人眼里，它是女神喷射出的乳汁；在中美洲的玛雅人看来，它则是正在生长的玉米秆。今天我们已经知道，这条横穿夜空的朦胧光带其实是银河系的银盘。银盘是一个由天体、气体和尘埃组成的巨大碟形结构，包含4条旋臂和至少1000亿颗恒星。从大爆炸到宇宙中数万亿个星系的形成过程，天文学家能在宏观的尺度上回溯宇宙的起源，但对于银河系，由于身处其中，我们至今难以识得其庐山真面目。得益于欧洲空间局“盖亚”卫星收集的观测数据，现在我们对银河系的演化有了更加清晰的认识。
隐藏的“蜗牛壳” 在过去一个世纪里，天文学家已经勾勒出了银河系的轮廓。约130亿年前，银河系始于气体和尘埃云的坍缩，此后在引力作用下，恒星被聚拢成一个翘曲的薄盘。在银河系中心还有一个呈棒状的厚厚的核球。上述结构被一个由恒星组成的球形晕所包裹，它外面有一个更大的暗物质晕，后者是银河系得以维系的关键。 银河系并不孤单。有几十个较小的矮星系围绕银河系转动，由此会引发错综复杂、偶尔甚至极为剧烈的动力学过程。计算机模拟显示，与较大星系之间的并合对早期的银河系有持续且重大的影响。但是，天文学家尚不清楚这些并合发生的时间、数量和具体过程。“盖亚”卫星能够以极高的精度测量数千光年内几十亿颗恒星的距离和运动，它收集的数据成为研究银河系演化细节的巨大宝库。 “盖亚”卫星发现，约有700万颗恒星会在银盘面上下振荡。这种测量精度相当于在500万倍慢镜头下观察1米远处的头发生长过程。天文学家关注的是恒星在相空间（由恒星的三维位置与三维速度构成的六维空间）中的特征。他们在相空间中发现了一个形似蜗牛壳的奇怪结构，它很可能是由某个星系在几亿年前撞击银盘所导致的。 根据计算机模拟和对星流的观测，天文学家推断，最有可能的“元凶”是人马矮星系。它曾3次穿越银盘，在10亿年前穿越时造成了这个蜗牛壳状结构。没有人料想到，如此久远的碰撞会在如今的恒星运动中留下痕迹。人马矮星系在穿越银盘的过程中损失了大量物质，现在它的身形已经大幅“消瘦”，无法在银盘上掀起汹涌的波澜。虽然它对银河系产生了深远的影响，但它最终会像许多此前的星系一样融入银河系，成为后者的一部分。
揭示银河系演化细节 除了这一蜗牛壳状相空间结构，“盖亚”卫星还发现了许多与之类似的结构，这标志着天文学家现在已可以观测到过往星系撞击所留下的微弱震动。通过破解这些震动，天文学家可以绘制出崭新的银河系全景图，了解其演化历史。 例如，人马矮星系的撞击有助于揭示银河系的旋臂是如何形成的。有人猜想，银河系的旋臂起源于与人马矮星系的碰撞。天文学家正在检验这个想法。这一撞击过程甚至能为认识暗物质的本质提供线索，因为构成暗物质的粒子无论质量大小，都会影响矮星系绕银河系运动的轨迹及其所留下尾迹的特征。 太阳的形成或许也是人马矮星系撞击的结果。星系中的恒星有点类似于城市中的人口。每年新生儿的数量都会波动，因此城市人口也会不断变化。对于星系，恒星形成史描述了这种变化特征。通过恒星形成史，我们可知10亿年前形成了多少恒星，现在又有多少恒星正在形成。 人马矮星系穿越银河系时会引发大量恒星快速形成，即星暴。根据计算，其中一次星暴发生在60亿~40亿年前。虽然无法确定太阳是不是在这次星暴中形成的，但太阳的年龄（46亿年）刚好位于该时段。 为了弄清楚特定恒星（如太阳）的独有历史，还需要寻找它的整个家族，例如，起源于同一碰撞事件、与太阳一同形成的大量恒星。为此天文学家需要在利用“盖亚”卫星数据的同时，结合地面望远镜所搜集的数千万颗恒星的详尽化学与亮度信息。通过类似的方法，科学家已发现了一些之前未知的原初星系，其中一个矮星系的质量约为太阳的100万倍，在100亿年前与银河系并合。随着时间推移，今后会发现越来越多这样的并合事件。 新数据启迪新认识
不过，基于“盖亚”卫星数据得到的研究结果尚存在争议。例如，有人提出，蜗牛壳状结构可能是很久以前银河系中心棒状结构所留下的遗迹，而不是由人马矮星系造成的。蜗牛壳状结构等本身也是难题。例如，为何在与较小的星系发生碰撞几十亿年后，在银河系仍能看到其显著的影响。由于目前还没有能对这一动态过程进行建模的工具，我们需要谨慎且全面地思考银河系的演化史。 “盖亚”卫星已在2022年6月发布了新数据。新数据将提供规模更大、更具代表性的银河系恒星样本，包括恒星精确的位置、速度、温度、半径和化学成分等信息。相空间数据会增加5倍，展示出更多恒星运动的细节。天文学家会在银河系的星流涌动中发现更多隐藏的神秘结构。虽然可能还需要20年才能完全认识“盖亚”卫星的观测数据，但至少现在他们已经开始对银河系形成的细节有了初步的认识。
（本文作者卢旭为南京大学天文与空间科学学院在读博士研究生，谢懿为中国科学院紫金山天文台研究员。）
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