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银河系竟以吞噬为生

百科 2024-07-24 10:00 湖北

天文学家对于银河系目前的结构耳熟能详，但在时间尺度上，我们仍然不清楚有关它诞生和成长的所有细节。

科学家通过对早期宇宙的计算机模拟发现，年轻的银河系曾被数千个小星系所包围，银河系正是通过吞食这些小星系才得以长大。为了进一步确定这些模拟结果是否正确，我可以看看银河系外围（被称为晕的区域）的年老恒星（即晕星），和今天仍围绕银河系转动的矮星系中的年老恒星在化学成分上有没有差异。如果模拟结果是正确的，那么年老的晕星和矮星系中的恒星，应该具有相同的组成成分。

过去几年，科学家对恒星成分所做的化学分析显示，模拟结果是正确的。银河系很可能是通过吞并矮星系，并把矮星系的恒星纳入到银河晕中，让自己不断壮大。而且现在，我们的银河系似乎仍在从近邻星系撕扯出星流（stellar streams），来增强自己。不过，天文学家还没有收集到足够的数据来证明这一点。

观测准备

作为地球上最干燥的沙漠，阿塔卡玛是研究恒星的理想地点：这里的空气中几乎没有会导致星光弯曲的水分。南半球的地理位置，则提供了无以伦比的银河系观测视角——即便仅用肉眼观看也是如此。

如果从侧面观测银河系，你会发现，它就像一个只煎了一面的鸡蛋：恒星构成了明亮而稠密的蛋黄，我们称之为银心；围绕银心的银河系旋臂形成了一个浅碟，那是银盘。整个银盘被一个由年老恒星组成、正渐渐消散的晕所包裹。已知的大约30个矮星系，正穿梭于银晕的最外围区域。

一般来说，一个标准的矮星系仅含有几十亿颗恒星，远远小于银河系2 000亿〜4 000亿颗的恒星数。而一些特别暗弱的矮星系可能只有数千颗恒星，天文学家要观测到它们非常困难。

我的研究主要集中在极为暗弱矮星系中的恒星，天文学家是在最近的10年间才开始观测它们的。这些星系中的恒星，是迄今为止所发现的最年老的恒星，我们之所以知道它们古老，是因为它们所包含的化学元素的比例泄露了这一“天机”。在大爆炸之后，宇宙中的第一代恒星，从含有氢、氦和微量锂（所有元素中最轻的几个，并且是当时宇宙中仅有的元素）的气体云中形成。随着第一代恒星的演化，恒星核心内部的核反应，会形成诸如碳、氧、氮、铁这些较重的元素。通过恒星的超新星爆炸，这些重元素会被抛撒入太空。新一代的恒星就会从富含重元素的气体云中形成。和锂一起，这些重元素习惯上被天文学家统称为“金属”。只有形成时间较晚的恒星，才会拥有可观的金属含量。我所研究的贫金属恒星，都诞生于宇宙的“婴儿时期”。极暗矮星系所含有的恒星数量，要少于较亮的星系，但当中贫金属恒星（它们绝大多数形成于宇宙早期）的比例则较高。

恒星的“化学DNA”

在实际使用智利克莱天文望远镜进行观测前的一周，根据优先次序，我制定了一个观测矮星系恒星的“目标清单”。在了解了天气情况后，我从清单上选择了我要观测的第一颗恒星，然后请操作员将望远镜指向它所在的位置，并开始收集它的光线。

这些带状星光来自13万光年之外的矮星系，星光的颜色携带着恒星的“化学DNA”信息，我们要想获取这些信息，先得破译这些“DNA编码”。

克莱望远镜装备有一个高分辨率的光谱仪（spectrograph），可以把星光分解成一道由不同波长的光线组成的彩虹，而我能在计算机屏幕上直接观看这道彩虹。然后，在彩虹的不同位置上，有一些黑色的垂直线，这些黑色垂线叫做吸收线（absorption lines），对应于恒星外层不同化学元素的丰度。吸收线越窄，恒星中某种特定元素的含量就越少。事实上，光谱的分辨率已经非常高，据此甚至可以知道某颗恒星上，某种化学元素有多少个原子。

过去几年里，我收集并分析的所有星光显示，晕星和暗弱矮星系中的恒星，都具有极弱的重元素（诸如铁）吸收线。例如，在银河系的晕中，我发现了宇宙中最缺铁的恒星——铁含量只有地核的1%。但这颗恒星的质量却是太阳的60%，地球的30万倍。

这样的贫金属晕星，不可能是与银河系中相对年轻的恒星一起形成的。相反，它们必定形成于那些孕育了古老矮星系恒星的气体云中，而这些星云仅存在于宇宙的婴儿期，那时“恒星熔炉”还没锻造出更重的元素。这一迹象表明，古老的晕星在化学组成上和矮星系恒星相似，因为它们曾经就是矮星系的一部分。只不过随着时间的流逝，银河系吞食这些近邻的矮星系，窃取它们的恒星来壮大自己。

化学分析并非银河系抢夺恒星的唯一证据。天文学家还发现了银河系的餐前小点——银晕中的星流，来自银河系引力场俘获的卫星系。眼下，银河系正在撕扯着人马座矮椭圆星系，将其变成环绕银河系的星流，银河系正在一点一点地吃掉它。在每一次撕扯中，都会有恒星从人马座矮星系被拽出来，进入银河系的晕中。

更犀利的工具

计算机对银河系诞生过程的模拟显示，银河系周围有大量的矮星系在绕其转动，数量远远超过我们迄今所发现的。其中所有明亮的矮星系，都已经被我们观测到。而至今那些还未被揭晓的矮星系，不是太过昏暗，就是离我们太远。这意味着，我们需要利用更加犀利的观测工具，才能发现它们。

令人兴奋的是，美国卡内基科学研究所（the Carnegie Institution for Science）计划在拉斯坎帕纳斯建造一架新的望远镜——主镜直径达25米，位置就在曼奎伊峰附近的山头上。这个数字接近我目前所使用望远镜直径的4倍。具备了这么巨大的镜面及其终端的光谱仪，这架新的望远镜就可以让我们窥视到银晕中的广袤区域。在那里，我希望寻找到更多的贫金属恒星。只有进行更多的观测，我们才能更容易搞清楚，银河系成长历史中的所有片段。

原文摘自：环球科学

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