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在銀河系中尋找星際戰俘:“星際移民”蛛絲馬跡

發佈時間: 2017-05-09 11:33:19  |  來源: 環球科學  |  作者: 羅德里戈·伊巴塔  |  責任編輯: 科學頻道

來源:環球科學微信公眾號

夜空中的點點繁星並非全是我們銀河系的土著居民,許多誕生於其他星系的恒星混雜其間,幽幽地訴説著它們的家園被銀河系侵佔瓦解、它們自己被銀河系掠奪俘虜的悲慘歷史。找出這些星際戰俘,追溯它們的來龍去脈,就能重建銀河系征戰侵略、發展壯大的歷史,甚至還能探測銀河系最黑暗的秘密——暗物質的分佈及其本質。

撰文羅德里戈·伊巴塔(Rodrigo Ibata)

布拉德·吉布森(Brad Gibson)

翻譯 謝懿

審校 趙剛

仰望星空,你能看見的所有恒星都是銀河系的成員。離我們最近的大星系——仙女座星系(Andromeda)——遠在至少200萬光年以外,這個距離相當於銀河系星盤直徑的20 倍。肉眼無法分辨出仙女座星系中的單顆恒星,它們聚集在一起,看上去只是一個暗弱的光斑。對於銀河系而言,那些恒星猶如居住在另外一個獨立的宇宙之中。反過來,你也許會很自然地認為,天空中的恒星都是銀河系中土生土長的土著居民。

事實真的如此嗎?以北天球第二亮星大角(Arcturus,牧夫座α星)為例,它的運動方式與銀河系中絕大部分恒星都略有不同,化學組成也有細微的差異。只有少數恒星有著與它相同的古怪特徵,不過它們都散落在銀河系的各個角落。從20世紀60年代開始,這些非典型恒星(還包括其他不同類型的非典型恒星)的起源,引發了一場激烈的學術爭論。是銀河系旋臂的引力迫使它們進入了古怪的軌道,還是它們根本就是形成于銀河系外的“星際移民”?

近年來,一些尖端調查技術被運用到天文學等諸多科學領域。借助這些技術,天文學家發現,兩種起源都是存在的。一些非典型恒星確實誕生於銀河系中,後來被推入了特殊的軌道;然而也有數量大得驚人的非典型恒星(包括大角星在內)是貨真價實的“星際移民”。確切地説,它們並不是自願移民銀河系的,也許稱它們為“ 星際戰俘”更為貼切。天文學家認為,這些恒星形成于較小的星系,這些星系後來被銀河系俘獲、掠奪和消化。在漫長的演化過程中,銀河系已經征服了數百個這樣的近鄰。它們先前的居民現在也已混雜到了銀河系的土著居民之間,僅僅留下一個對故鄉的朦朧記憶。找到了這些恒星,天文學家就可以重建銀河系的掠奪歷史,並且探測它最黑暗的秘密——主宰著銀河系命運的神秘暗物質。

星際移民

小星系一旦靠近巨星系,就會受到強大的引力潮汐作用,逐漸扭曲、瓦解,並被拉成纖細而壯觀的星流。

發現這些星際移民,需要一雙銳利的眼睛。從理論上説,這些恒星會排成長長的一串(也就是星流,stream),從而暴露自己的行蹤,就像擁擠舞池中的康加舞隊一樣(康加舞起源於拉丁美洲,舞者會排成一個長隊一起舞蹈)。逆流追溯,有些星流會通向球狀星團或者銀河系的某個衛星星系——那裏大概是星流中恒星的發源地,有些星流則通往那些發源地如今僅存的遺跡。但實際上,由於“土著居民”相對均勻地分佈在銀河系中,星流幾乎無法從點點繁星中突顯出來,也就很難被人發現。為了克服這一難題,最近許多研究人員都採用了“匹配過濾”技術(matched-filter technique),這是第二次世界大戰時期開發出來的技術,當時被用來獲得來犯敵機的清晰影像。只要知道了土著恒星和“星際移民”的大致形態,這項技術就能過濾掉前者,讓星流顯現出來。

本文作者之一伊巴塔及同事在1994年發現的人馬座星流,可能是最令人印象深刻的已知星流。這條星流宛如一串巨大的恒星項鍊,環繞在銀河系周圍。它的跨度超過100萬光年,包含了大約1億顆恒星,一直連接到人馬座矮橢圓星系(Sagittarius dwarf elliptical galaxy,“矮”是指星系規模很小,“橢圓”是指星系形狀呈橢球狀)。銀河系周圍與它類似的小星系共有15~20個,它們就像衛星繞著行星一樣圍繞銀河系旋轉(因此又被稱為衛星星系)。這些衛星星系大小不等,既有品質約為銀河系十分之一的大麥哲倫雲(Large Magellanic Cloud),也有品質為銀河系百分之一的人馬座矮星系,甚至還有品質僅有銀河系百萬分之一的暗弱星系。

居住在銀河系附近可不是一件舒服的事情。這些小星系會逐漸變形,並被最終瓦解。人馬座矮星系已經垂死掙扎了幾十億年,現已經走向瓦解。它的恒星將散落在整個銀河系中,現在這樣的星流也會逐漸消失,未來的天文學家將很難把它們與銀河系的土著恒星區分開來。其他幾個小星系也正在被銀河系肢解,有些現在只剩下了一條星流(見第81頁的表格)。大麥哲倫雲則代表了另一類較為少見的現象——銀河系從那裏奪走的是氣體,而不是恒星。

星系瓦解背後的機制是潮汐作用,這是我們非常熟悉的,同樣的機制在地球上産生了海洋的潮起潮落。一個天體的不同部分經受不同的引力作用時,潮汐力就會産生。月球對地球朝向它的一面所施加的引力,比對背向它的一面施加的引力更大。兩個力之間的差異儘管很小,不足以扯碎地球,卻足以讓海洋微微隆起。隨著兩個天體的相互繞轉,海洋的隆起部位也會跟著轉動,使地球上某一地點的海平面出現週期性的抬升或降低。與此類似,銀河系也會在衛星星系或星團的一側,施加比另一側更大的引力作用,使它們扭曲變形。在這樣的作用下,衛星星系或星團中的恒星會逐漸被銀河系拖走。久而久之,衛星星系失去的恒星就會越來越多。這些恒星像麵包上掉落的麵包屑一般,在衛星星系的前後形成了長長的尾巴。

更微妙的線索

星流會被銀河系逐漸吸收,最終化為無形。然而六維相空間中的微妙線索,卻能在茫茫星海之中,找到這些“星際移民”的蛛絲馬跡。

如此看來,人馬座矮星系等衛星星系在銀河系的構建過程中做出過貢獻。這些發現徹底改變了天文學家原先對星系形成的理論認識:他們曾經認為,所有的星系都直接起源於原始宇宙中幾乎察覺不到的物質密度漲落(天文學家觀測證實,早期宇宙各處的物質密度幾乎相同,僅有大約萬分之三的差異),其後便經歷了早期的雪崩式生長,很快演化成現在這副模樣。現在,基於對星流的觀測,研究人員普遍認為,只有品質不超過10億倍太陽的矮星系經歷了這樣的快速形成過程; 像銀河系這樣品質相當於千億顆太陽的大型星系,則是後來通過吸積和吞併矮星系而逐漸形成的。這種吞併過程一直持續至今,不過強度已大不如前。

銀河系吞噬近鄰星系的過程被天文學家抓了個正著,他們又提出了更加深入的問題:這些古老的星系“建築原料”具有什麼樣的化學組成?現在的大型星系中“星際移民”和“土著居民”的比例是多少?這些小星系帶來的化學元素如何改變銀河系早期的演化歷史?這些星流就像化石一樣,記錄著星系構建的歷史,除此之外,它們還能在探測暗物質方面大顯身手。

要弄清這些問題,天文學家不僅需要了解哪些恒星正在被銀河系掠奪,還要知道哪些恒星是已經被俘虜過來的。研究人員遇到的困難在於,一旦外來的恒星和氣體混入銀河系,我們就無法通過特有的空間分佈來識別它們。天文學家必須找到更微妙的線索,來追溯這些恒星的起源,例如它們的運動模式和化學組成上的一些難以抹去的固有特徵。

我們都習慣用位置和速度來刻畫物體的運動。但運動還有其他不同的特性,可以用諸如能量和角動量之類的物理量來描述。正如物體的空間位置能夠用3個坐標來描述,因此被稱為三維空間一樣,我們也可以用位置加上動量(一共6個物理量)來描述物體的運動狀態,這個抽象的六維空間被稱為相空間(phase space)。相空間的優點在於,與真實空間相比,恒星在相空間中的排列模式更有還原性(這裡是指經歷巨大變化之後恢復原狀的能力)。儘管星系的吞併消化過程通常會破壞星流的空間結構,卻無法抹去它們在相空間的整體結構。這就是統計力學中的一個重要原理——劉維定理(Liouville‘s theorem)。

因此,通過測量能量、角動量和相空間中恒星隨機樣本的密度,研究人員就能識別出無法直接觀測到的星群。它們是很久以前被銀河系瓦解的衛星星系的魅影。幾個研究小組,例如荷蘭卡普坦天文研究所(Kapteyn Astronomical Institute,位於格羅寧根市)的阿明娜·希勒米(Amina Helmi)和美國華盛頓大學的克裏斯·B·布魯克(Chris B。 Brook)各自領導的小組,已經用這項技術發現了一些被吞併的衛星星系的遺跡。

獨特的化學指紋

“星際移民”的化學指紋與銀河系土著極為不同,這項技術可以幫助我們追溯它們的共同起源,重建銀河系的侵略歷史。

另一項令人興奮的技術被稱為“化學指紋”(chemical fingerprinting)。絕大多數恒星都不是單獨形成的,而是和成千上萬顆恒星一起,從同一塊星雲中誕生的。每一塊星雲都有特有的化學元素和同位素混合比例,並被從中誕生的恒星繼承下來。即使這群恒星分散開來,它們仍然會帶著這種特有的化學標記,讓天文學家能夠追溯它們的發源地。加拿大維多利亞大學(位於大不列顛哥倫比亞省)的金·A·維恩(Kim A。 Venn)及同事已經證明,誕生於矮星系的恒星和典型的銀河系“土著居民”擁有極為不同的化學組成。

擺在天文學家面前的一道更大的難題是,有沒有可能追查出單顆恒星的誕生地點。歐洲南方天文臺(European Southern Observatory)的加揚蒂·德席爾瓦(Gayandhi De Silva)及其同事,最近對銀河系最著名的星團之一——畢星團(Hyades)進行了細緻的化學研究。他們發現,星團中的恒星幾乎擁有完全相同的化學元素豐度,這預示著化學指紋確實可以幫助天文學家確定恒星的共同起源。也許有一天,他們會找到太陽的同胞兄弟姐妹——那些與太陽形成于同一星雲,現在卻各奔東西、散佈于銀河系各處的恒星。

當我們發現人馬座矮星系的星流時,許多同事認為這僅僅是一個有趣的發現,並沒有太大的意義。但是不久之後,它就成了銀河系併合與吸積歷史的典型例證。現在天文學家已經普遍認為,併合與吸積才是星系形成與演化的主要推動力。被吞併的星系帶來了新的恒星、氣體和暗物質,同時也觸發了大規模的恒星形成。正是這些星際移民使我們的銀河系保持著勃勃生機。

文章來源: 環球科學
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