在南非撒哈拉以南地區(qū)，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，端詳夜空的星云時，他們聯(lián)想到的是營火的余燼，波利尼西亞水手看到的則是吞噬云朵的鯊魚。

而古希臘人認(rèn)為這看起來像灑了的牛奶（gala）——這一聯(lián)想最終孕育了我們現(xiàn)今所說的“星系”（galaxy）一詞。

在20世紀(jì)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我們自己所在的銀河系不過是浩瀚宇宙的滄海一粟，還有更多的星系族群，各自書寫著獨(dú)特的起源故事。

在數(shù)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(fā)生碰撞。天文學(xué)家相信，在銀河系初誕之期，至少發(fā)生過一次規(guī)模如此之大的碰撞

圖源：Koppelman,Villalobos & Helmi

簡單來說，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云團(tuán)聚合起來，隨著時間推移，形成了兩個基本架構(gòu)：一個巨大的球面光環(huán)和一個高密度高亮度的圓盤。

又過了數(shù)十億年，在這個圓盤之內(nèi)，誕生了我們熟知的太陽系，因此，當(dāng)我們仰望星空看到的這條“牛奶帶”，其實(shí)是銀河系圓盤橫跨天際的側(cè)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(guān)于銀河系史的重要篇章。

到底發(fā)生了什么？他們得到了更確切的數(shù)據(jù)。

2018年4月25日，一艘名為蓋亞（Gaia）的歐洲飛船獲得了海量關(guān)于星空的信息。可貴的是，蓋亞多年以來記錄了約超過10億顆恒星的運(yùn)行細(xì)節(jié)，而之前的探索只停留在區(qū)區(qū)幾千顆。

新的數(shù)據(jù)為先前星系探索的靜態(tài)畫面增添了生機(jī)，“蓋亞開啟了一場新革命”，法國斯特拉斯堡天文臺（Strasbourg Astronomical Observatory）的天文學(xué)家費(fèi)德里科·賽斯提托（Federico Sestito）如是說。

天文學(xué)家爭先恐后地下載這一動態(tài)群星圖，一系列新發(fā)現(xiàn)相繼問世。比如，他們發(fā)現(xiàn)圓盤的某些部分，歷史久遠(yuǎn)地超乎常理。

同時，他們還找到了證據(jù)表明銀河系早期曾發(fā)生過規(guī)模宏大的碰撞，而之后仍然在以人們出乎意料的方式不斷發(fā)展壯大。

2013年發(fā)射的蓋亞衛(wèi)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(fā)現(xiàn)為我們的銀河系譜寫了全新的篇章，上至其充滿動蕩的過往，下至其永不停歇的未來。

“我們對銀河系的了解發(fā)展得如此迅速，”愛丁堡大學(xué)（University of Edinburgh）天文學(xué)家邁克爾·皮特森（Michael Petersen）表示，“這主要是因?yàn)?，銀河系不是一個靜止的物體，許多領(lǐng)域都是如此，事物都在不斷變化?！?/p>

銀河系中最久遠(yuǎn)的恒星

為了一窺銀河系初誕時的面貌，天文學(xué)家嘗試尋找彼時即存在的恒星。這些恒星僅由最原始的宇宙素材——?dú)浜秃ぴ貥?gòu)成。幸運(yùn)的是，這些庫存中的較小恒星燃燒速度也比較緩慢，因此迄今為止仍有不少還在發(fā)光。

為了一窺銀河系初誕時的面貌，天文學(xué)家嘗試尋找彼時即存在的恒星圖源：Samuel Velasco/Quanta Magazine

歷經(jīng)數(shù)十年的探索，關(guān)于這種古老的恒星，研究人員一共整合記錄了42顆，并稱其為金屬元素嚴(yán)重匱乏的恒星（對天文學(xué)家而言，任何比氦更大的原子都?xì)w類為金屬元素）。

根據(jù)人們對銀河系教科書式的理解，這類恒星應(yīng)該形成了銀河系外圍的光環(huán)部分，而另一方面，人們認(rèn)為圓盤中的那些恒星，可能要再過十億年的時間才能平鋪開來，其構(gòu)成中應(yīng)該含有質(zhì)量更重的碳和氧元素。

2017年末，賽斯提托著手研究這些金屬元素嚴(yán)重匱乏的恒星如何運(yùn)行。他通過寫代碼分析蓋亞所得出數(shù)據(jù)，認(rèn)為這些球狀路徑或許能為光環(huán)的形成帶來一些線索。

在蓋亞公布數(shù)據(jù)幾天后，他在全部數(shù)據(jù)中截取了42顆遠(yuǎn)古恒星數(shù)據(jù)，并追蹤其運(yùn)行動態(tài)，正如所料，大部分穿梭光環(huán)而過，但有一些卻不同。

大約四分之一并沒有經(jīng)過光環(huán)，而是卡在了圓盤之內(nèi)，即銀河系初誕以來最年輕的區(qū)域?！耙姽砹耍　辟愃固嵬畜@呼道，“為什么會這樣？”

接下來的研究證實(shí)了，恒星確實(shí)是圓盤內(nèi)的長期住戶，而不僅僅是過客。在兩個近期研究中，賽斯提托和其同事整合了大約5000顆金屬元素嚴(yán)重匱乏恒星的文庫，其中幾百顆似乎是圓盤中的永久居民。

另一個團(tuán)隊(duì)仔細(xì)審查了500顆恒星，發(fā)現(xiàn)十分之一的恒星身處于太陽系那樣平鋪旋轉(zhuǎn)的軌道中。還有一個團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了許多不同金屬特性的恒星（也就是星齡不同）在圓盤狀軌道平鋪運(yùn)行。

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

為什么會存在這樣的出入？賽斯提托猜想，可能是有些原始的星云團(tuán)長久以來設(shè)法躲開了超新星散發(fā)出的金屬元素，進(jìn)而崩塌形成恒星，頗具欺騙性地讓這顆恒星看起來年代久遠(yuǎn)。

還有一種可能是，也許圓盤和光環(huán)是同時成型的，比原先認(rèn)為的提前了10億年。

為了了解哪種可能性更具說服力，他聯(lián)系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(gòu)建星系數(shù)字模擬程序。

以往的研究通常得出的結(jié)論是，光環(huán)先于圓盤成型。但這些研究往往受限于低清晰度。

在這些數(shù)字模擬中，一個類似銀河系的星系經(jīng)歷了138億年的成型發(fā)展階段，從宇宙起源之初直到如今。左側(cè)一欄展示的是可見的暗物質(zhì)分布，中間一欄顯示的是氣體的溫度（藍(lán)色為冷，紅色為熱），右側(cè)一欄顯示恒星密度。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(yuǎn)近適中，第三行則為星系全貌的縮放遠(yuǎn)景圖圖源：Tobias Buck

巴克將模擬的精度調(diào)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(jì)算力。

盡管他可以進(jìn)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(shí)驗(yàn)他重復(fù)做了六次。

在這六次實(shí)驗(yàn)中，有五次模擬出了與銀河系同樣的結(jié)果，其中兩次包含大量的缺乏金屬元素的圓盤恒星。

這些遠(yuǎn)古的恒星是怎么進(jìn)入圓盤的？簡單來說，它們是天體移民。這些恒星有一部分來自早于銀河系產(chǎn)生的云團(tuán)，這些云團(tuán)碰巧將部分恒星留在了一些軌道中，而這些軌道隨后構(gòu)成了銀河系圓盤的一部分。

還有一些恒星來自于較小的矮星系，與銀河系發(fā)生碰撞后與正在生成的圓盤合并在了一起。

11月發(fā)表的研究結(jié)果顯示，經(jīng)典星系形成模型并不完善。氣體團(tuán)的確會崩塌形成球面光環(huán)，在適當(dāng)角度下，恒星的到來也可以同時創(chuàng)造一個圓盤。

“并不是理論家判斷錯了，”巴克說道，“他們只是沒有看到事實(shí)的全貌?！?/p>

銀河系早期動蕩不安

事情的復(fù)雜程度還不止于此。通過蓋亞的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了巨型碰撞的直接證據(jù)，他們猜想，銀河系有一個動蕩不安的早期。

但是新澤西普林斯頓高等研究院的天文學(xué)家海默·科博曼（Helmer Koppelman）通過蓋亞的數(shù)據(jù)，定位了一些切實(shí)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(jìn)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，蓋亞公布了數(shù)據(jù)，瘋狂涌入的大量下載導(dǎo)致網(wǎng)站癱瘓，科博曼回憶道。他周四對數(shù)據(jù)進(jìn)行了一番處理，在周五之前便預(yù)料到自己將有重大發(fā)現(xiàn)。

他發(fā)現(xiàn)，在每個方向上都有極大數(shù)量的光環(huán)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，表明它們來自于同一個矮星系?？撇┞鼨C(jī)器同事在周天前撰寫了一篇簡要論文，并在六月進(jìn)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(huán)60000光年以內(nèi)，超過半數(shù)的恒星都只來源于同一場碰撞，使得早期銀河系的質(zhì)量增幅高達(dá)百分之十。“這無疑改變了我原來的觀點(diǎn)，”科博曼說道。

該團(tuán)隊(duì)將新發(fā)現(xiàn)的星系命名為蓋亞-恩克拉多斯（Gaia-Enceladus），這個名字來源于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(xué)的一個研究團(tuán)隊(duì)也幾乎同時發(fā)現(xiàn)了這一星系，他們根據(jù)其軌道某些形狀把它命名為“香腸”星系（Sausage）。

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

天文學(xué)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，且恒星在其間一邊上下跳動一邊圍繞銀河系中心運(yùn)轉(zhuǎn)。

由迪·曼提奧（Di Matteo）帶頭進(jìn)行的一項(xiàng)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?！暗谝粋€原始圓盤的成型速度非常之快，然而我們認(rèn)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(tuán)（globular clusters）的恒星中被發(fā)現(xiàn)。德國海德堡大學(xué)（Heidelberg University）天文學(xué)家迪艾德里克·克魯吉森（Diederik Kruijssen）用模擬法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來詳細(xì)了解球狀星團(tuán)。

他研究了星團(tuán)的年齡、構(gòu)造以及運(yùn)行軌道，通過這些數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以再現(xiàn)星系碰撞后的重組過程，接著他將真實(shí)銀河系的數(shù)據(jù)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(yuǎn)古更為顯著的融合現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)稱其為克拉肯（Kraken）現(xiàn)象。

八月份，克魯吉森團(tuán)隊(duì)發(fā)布了銀河系的融合演進(jìn)圖系，以及參與其間的矮星系。他們同時預(yù)測了先前還發(fā)生過十次碰撞事件，并希望其他的獨(dú)立觀測能給予證實(shí)?！拔覀冞€沒有證實(shí)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(xiàn)象讓一些天文學(xué)家認(rèn)識到，光環(huán)或許幾乎全是外來星體所組成的；

根據(jù)20世紀(jì)60到70年代的模型顯示，銀河系光環(huán)上的多數(shù)星體都是在各自位置上自行產(chǎn)生的。隨著更多的星體被證實(shí)為擅闖者，天文學(xué)家或者需要相信，許多星體并非來自本星系，甚至所有都是外來戶?！?/p>

銀河系仍在不斷壯大

漫長的時光以來，銀河系有著一段相對平靜安寧的歷史，但新來者仍然絡(luò)繹不絕，位于南半球的觀星者用肉眼就能看到一對矮星系，名為大麥哲倫星云和小麥哲倫星云（Large and Small Magellanic Clouds）。

天文學(xué)家素來認(rèn)為，這一對星系長久以來就像月球一樣，是不停環(huán)繞我們銀河系的忠實(shí)伙伴。

大小麥哲倫星云升起于布羅莫山，這是位于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(yuǎn)鏡的一系列觀測發(fā)現(xiàn)，這一對矮星系更像是飛速駛來的隕石。

據(jù)弗吉尼亞大學(xué)天文學(xué)家尼特亞·卡里瓦亞利（Nitya Kallivayalil）的估算，這一對星云駛來的速度達(dá)到每秒330公里，比先前預(yù)計(jì)的幾乎快了兩倍。

由愛丁堡皇家天文臺天文學(xué)家喬治·派納盧比亞（Jorge Pe?arrubia）率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)分析了所有數(shù)據(jù)，多年后最終得出結(jié)論，這一對飛速駛來的星云一定極具重量，可能要比先前估計(jì)的體積龐大10倍。

“意外一個接著一個。”派納盧比亞說。許多研究團(tuán)隊(duì)猜測，這一對重量超乎想象的矮星系或許拉扯著銀河系的一部分在運(yùn)行。而這一年，派納盧比亞的團(tuán)隊(duì)與皮特森進(jìn)行了合作，聯(lián)手尋找證據(jù)。

要想追尋星系規(guī)模的運(yùn)動軌跡，天文學(xué)家面臨一大難題，因?yàn)殂y河系像是一場由星體組成的暴風(fēng)雪，而他們只是根據(jù)其中一片雪花從外往里觀察。

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(yùn)行軌跡帶來的影響，以及如何將位于光環(huán)之內(nèi)的恒星的運(yùn)動軌跡平均到一個固定范圍，這樣一來，光環(huán)的邊緣區(qū)域就可以假定為靜止?fàn)顟B(tài)。

基于這種假定，他們在校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的時候發(fā)現(xiàn)，地球、太陽以及所處圓盤的其他部分都在朝一個方向傾斜，并不是大麥哲倫星云目前所在位置的方向，而是朝向圓盤10億年前的位置。

皮特森解釋說，這表明銀河系就像一頭笨重的巨獸，反射神經(jīng)相對緩慢。近日，他們在《自然天文學(xué)》（Nature Astronomy）雜志上發(fā)表論文，詳盡地?cái)⑹隽诉@一發(fā)現(xiàn)。（注：太陽系位于銀河系圓盤的近似平面上。）

銀河系是一個處于平衡狀態(tài)的物體，但圓盤朝向光環(huán)的傾斜使這個基本假說站不住腳了。

事實(shí)上，圓盤可以在宇宙空間中旋轉(zhuǎn)滑動，然而在這之前，多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為在歷經(jīng)數(shù)十億年后，演化成熟的圓盤和光環(huán)已形成一個穩(wěn)定的架構(gòu)。

派納盧比亞和皮特森的分析進(jìn)一步證實(shí)了該假說是錯誤的。即使過了140億年，融合現(xiàn)象依然在影響著銀河系的塑形。這一發(fā)現(xiàn)是我們對銀河系的最新見解。

“我們關(guān)于銀河系歷史與未來的新發(fā)現(xiàn)，亟待開發(fā)一個新的模型來佐證和描述?！逼ぬ厣f。

參考：

https://www./the-new-history-of-the-milky-way-20201215/

（本文未經(jīng)造就授權(quán)，禁止轉(zhuǎn)載。）

編譯 | Gabrielle版面 | 小顧