【Wired硬塞】你知道銀河系的歷史,已被重新改寫了嗎?

在過去 2 年間,天文學家已藉由更新、更精準的資料,改寫了銀河系的歷史。
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原文來自 Wired《The Milky Way Gets a New Origin Story》,作者 Charlie Wood。台灣康泰納仕集團授權提供,經譯者 Linden Chen 翻譯並經 INSIDE 編審。

大型銀河系與較小矮星系相撞的數位模擬圖。天文學家認為,在銀河系的發展初期至少發生過一次如這般的大碰撞事件。Photo Credit:Koppelman, Villalobos & Helmi

無邊無際的星河、星塵把夜空分成兩半。當撒哈拉沙漠以南的科依桑獵人凝視著這般景色時,他們聯想到營火中餘光未盡的木塊。波利尼西亞水手看到的是一條會把雲吃掉的鯊魚。古希臘人認為這是牛奶之河,並稱此景為 gala,也就是現代英文 galaxy(意指銀河系)的來源。

20 世紀時,天文學家發現我們的銀河只是廣大星系中的一部份,因而他們也寫下自己銀河的起源故事。用最簡單的話來說,大約 140 億年前,在萬有引力作用下,一團團巨大的氣體和塵土聚合,讓我們的銀河系匯聚在一起。隨著時間演進,銀河系出現兩個結構:第一個是巨大的球型光暈(銀心),而後是一個明亮密集的碟子(銀盤)。經過數十億年以後,我們自己的太陽系開始旋轉到這個碟子裡,所以當我們在夜裡,從碟子的側邊往天空看,可以發現打翻的牛奶飛濺在天空中。

不過,過去兩年間,研究人員幾乎把銀河系歷史中的每個主要環節改寫。到底發生了什麼事?其實是他們拿到了更優質的數據。

2018 年 4 月 25 日,一艘名為蓋亞(Gaia)的歐洲太空船發布有關天空的大量訊息。令人吃驚的是,蓋亞搜集好幾年的數據集,把約莫 10 億顆恆星運動的細節描繪得很清楚。過去的研究頂多只能繪製數千顆恆星的運動圖。這些新數據讓過去靜止的銀河系變得栩栩如生。「蓋亞催生了一場新革命,」法國史特拉斯堡天文台天文學家費德里克.塞斯蒂托(Federico Sestito)表示。

於是,天文學家們爭相下載動態天體圖,隨後又多了一連串新發現。他們發現,天空中碟子的某些部份,不像過去所認知的一樣古老。他們也找到讓銀河系在剛成形不久時,產生劇烈活動的大規模碰撞證據,以及能證明銀河系以預料以外方式,不停持續翻動的新跡象。

從 2013 年 12 月發射之後,蓋亞衛星所收集之資料徹底改變人類對銀河系的理解。Photo Credit:ESA / ATG 媒體實驗室

總而言之,這些結果為我們銀河系動盪不斷的過去和不斷發展的未來開闢了新故事。「我們對銀河系的看法正在快速改變,」愛丁堡大學天文學家麥可.彼得森(Michael Petersen)指出,「重點在於,銀河系並非我們過去所認為是靜止不動的個體,而是不斷迅速變動的系統。」

最早的恆星

為了追溯至銀河系形成初期,天文學家開始尋找在當時就存在的恆星。這些恆星僅由氫和氦(宇宙形成初期最原始的物質)組成。幸運的是,體積較小的早期恆星依然緩慢燃燒中,因而很多恆星仍在天空中發光。

經過數十年調查,研究人員整理出一個包含 42 個具有這種特色的古代恆星,並將其稱為「超缺乏金屬恆星」(ultra metal-poor stars)(對天文學家而言,任何比氦更大的原子都叫金屬原子)。過去認為,這些恆星應該會聚集在形成銀河系的第一部份—銀心當中。相較之下,在銀河系第二層中的恆星,科學家認為可能還要再數十億年才能自轉,而且會被體積更重,如碳和氧等金屬元素所污染。

2017 年底,塞斯蒂托開始透過編碼分析蓋亞的新數據,以研究這種超缺乏金屬恆星的運動。他認為,或許它們的運動軌跡,可以為銀河系的形成之謎提供一些線索。

在蓋亞資料庫發布後的幾天,他從完整的數據集中擷取 42 顆古恆星的資料並分析它們的運動軌跡。就如同他所預期的一樣,大部分古恆星都會流過銀心帶;但其中大約 1/4 卻沒這麼動,反倒是停留在銀河系中最年輕的區域—銀盤裡。「這在搞什麼鬼,」塞斯蒂托再用了不同的四個字表達一次,「這是怎麼一回事?」

後續研究證實,這些恆星確實在銀盤帶裡存在已久,而不只是過客。從最近的兩個研究來看,塞斯蒂托和同事搜集約莫 5000 個缺乏金屬的恆星,裡面數百個似乎在銀盤帶裡存在已久。另一個團隊則從另一個研究中篩選 500 個調查確定的恆星,發現裡面約有 1/10 是平放在太陽狀的軌道上。第三個研究團隊發現各種不同金屬(也代表不同年齡)的恆星在平坦的碟狀軌道上運動。「這是全新的發現,」巴黎天文台天文學家、該論文的第一作者鮑拉‧狄‧馬托(Paola Di Matteo)指出。

這些被錯估年代的恆星,究竟為什麼會出現在意想不到的地方?塞斯蒂托推測,也許原始氣體能夠長期躲避從超新星排出的所有金屬,而後坍塌在看起來很古老的恆星上。或是當銀心開始聚集的約 10 億年前,銀盤就早就已經成形。

為了解哪一種假設可能性較高,他和專門研究模擬數位星系的德國波茨坦萊布尼茨天體物理研究所研究員托比亞斯.巴克(Tobias Buck)聯繫。一開始就如預期,過去研究總是認為,先有銀心才出現銀盤。但這些都是在相對低解析度影像下所得到的結果。

隨後,巴克把模擬星系影像解析度提高約 10 倍。在這樣的解析度下,每次電腦運作都得耗費大量計算資源。即便他能使用德國萊布尼茲超級電腦中心資源,但單單一次模擬,就需要三個月的運算,而且他還得重複這樣的過程 6 次。

在這 6 次過程中,有 5 次產生非常接近銀河系誕生的過程,其中 2 次還出現大量位於銀盤帶的缺乏金屬恆星。

那些古老恆星到底怎麼進入銀盤帶?簡言之,他們都像是恆星的移民。其中一些恆星誕生於銀河系出現前的雲狀物中。而後這些雲狀物恰好讓某些恆星沉積到軌道上,這些軌道最後成為銀河系銀盤帶的一部分。其他恆星來自小型的「矮」星系中,這些矮星系被撞擊到銀河系中,並進入剛出現的銀盤帶。

研究團隊在 11 月發布的結果顯示,人類過去模擬銀河系形成的模型並不完整。一如預期,氣體雲確實會坍塌在球型銀心理。但以正確角度到達球型銀心的恆星,還能催生出銀暈的一部分。「理論家沒錯,他們只是沒看到另一部份的照片,」巴克說。

運動頻繁的青春期

複雜程度不僅於此。有了蓋亞後,天文學家發現了不少造成災難性碰撞的直接證據,並能做出銀河系形成初期運動頻繁的假設。但美國紐澤西州普林斯頓高級研究所天文學家赫爾莫‧柯波曼(Helmer Koppelman)則使用蓋亞的數據,準確指出大型星系碰撞後有哪些殘骸剩下。

柯波曼猶記,蓋亞是在 2018 年在某個週三發布數據,天文學家們瘋狂搶下載,還讓網站一度當機。儘管如此,他還是在星期四就著手處理數據,並在星期五以前就知道自己將有驚人發現。不管用哪個方向處理數據,他都看到大量帶有銀暈的恆星,以同樣奇特的方式在銀河系中心來來回回跳動,這顯示他們來自一個矮星系。柯波曼和他的同事在該週日以前,就把這些發現寫成一篇簡短的論文,並在該年 6 月立刻做了更詳盡的分析。

銀河的殘骸無所不在。或許銀心內部 6 萬光年距離內(從各個方向算是數十萬光年)的所有恆星都是誕生於單一次碰撞,讓銀河系的質量增加了 10%。「這個發現,改變了過去相關研究的遊戲規則,」柯波曼指出,「我期待有更多不同的小型恆星能說明這個現象。」

這是約 100 億年以來銀河系星系的形成模擬圖。許多較小的矮星系會聚集在主星系上,並成為其中的一部分。Photo Credit:Tobias Buck

研究團隊把新發現的星系命名為「蓋亞—恩賽拉達斯」(Gaia-Enceladus),這個名字的起源分別是列名希臘原始神的女神蓋亞,以及她的兒子恩賽拉達斯。另外一個在劍橋大學的研究團隊則在同時間獨自發現相同星系,由於它在某些軌道圖中看起來很像香腸,他們就將其命名為「香腸」。

大約 100 億年前,當銀河系與蓋亞—恩斯拉達斯星系碰撞時,銀河系脆弱的銀盤帶可能遭到劇烈的破壞。天文學家們爭論,為什麼我們的銀河系星盤看來有兩個部分:一個薄型碟子、一個更厚的碟子。後者在圍繞著銀河中心打轉時,上面的恆星會上下彈起。由狄‧馬托主導的研究顯示,蓋亞—恩斯拉達斯星系把大多數厚型碟面都炸毀,而且在碰撞時讓它鼓起來。柯波曼解釋,「第一個遠古碟子形成得很快,而且我們認為蓋亞—恩斯拉達斯星系破壞了它。」

在被稱為球狀星團的恆星群組中,更多碰撞破壞的證據也一一浮現。德國海德堡大學天文學家狄德里克.克魯伊森(Diederik Kruijssen)用將人工智慧神經網路的訓練系統導進星系模擬技術,以仔細觀察球狀星團。他讓神經網絡分析球狀星團的年齡、組成、軌道。神經網絡可以從這些數據重建當時構成銀河系的碰撞,而後他也不再緊盯真實銀河系的數據。這個研究計畫顛覆我們過往對星系的認知,包括蓋亞—恩斯拉達斯星系,與一個歷史更悠久、經過更劇烈碰撞,名叫「克拉肯」(Kraken)的星系。

8 月時,克魯伊森的研究團隊發表了銀河系與構成銀河系的矮星系的族譜。他們還希望能透過獨立觀察確認其餘 10 次過去發生過的碰撞。「我們還沒有找到這 10 次碰撞,但我們一定會找到,」克魯伊森說。

所有的碰撞與合併都讓天文學家推論,銀河系的光暈可能僅由年齡較輕的移民恆星組成,這和 1960、1970 年代普遍推測銀河系的光暈是早在移民恆星到來前就已存在有很大不同。狄‧馬托認為,但當越來越多的恆星被認為是銀河系的闖入者,天文學家或許不再需要假設很多或任何恆星是原本就存在於該處。

還在持續成長的銀河系

銀河系近代而言相對平靜,但仍然不少行星前仆後繼來到。南半球的觀星者只要用肉眼,就可以看到一對矮星系,即大小麥哲倫星雲(Magellanic Clouds)。天文學家長久以來相信,這對恆星是我們堅定不移的軌道運行夥伴,就像是銀河系的衛星一樣。

而後,2006 年到 2013 年間,天文學家用哈伯太空望遠鏡對麥哲倫星雲進行一系列觀測,發現它們更像是新進的隕石。維吉尼亞大學天文學家妮蒂亞.卡利瓦亞利(Nitya Kallivayalil)推估,麥哲倫星雲的雲層以每秒約 330 公里速度向外發出熱量,幾乎是預期速度的 2 倍。

愛丁堡皇家天文台的天文學家豪赫爾.佩納魯皮亞(Jorge Peñarrubia)所領導的研究團隊,在幾年後對麥哲倫星雲進行計算。他們得到的結論是,行進快速的雲團質量必然很巨大,或許是過去認知的 10 倍。「這真的很讓人驚訝,」他說。

不同的研究團隊都預測,出乎意料厚實的矮恆星可能會拖曳銀河系的某些部份,今年佩納魯皮亞和彼得森合作找出能證明此論點的證據。

觀察銀河系運動時會面臨的問題是,銀河系就像暴雪一樣,是一團洶湧且混亂的恆星,天文學家只能從其中一片雪花向外看。因此,佩納魯皮亞和彼得森把大部分時間都花在釐清如何抵銷地球和太陽的運用,還有如何平均光暈裡恆星的運動,以讓光暈的外部邊緣可以作為靜止的背景,便於觀察。

當他們用這種方式來調校數據時,他們發現地球、太陽與所處的銀盤帶,都朝著同一個方向傾斜,不是朝向大麥哲星雲目前的位置,而是朝向它大約 10 億年前的位置傾斜。(彼得森解釋,星系就像是笨拙的野獸,反射動作很緩慢)。他們最近在期刊《自然‧天文學》(Nature Astronomy)中詳細介紹他們的發現。

銀盤緊貼著銀心滑動,破壞了過去研究銀河系的基本假設:過去認為銀河系是平衡的物體,的確會太空中旋轉、滑動;但多數天文學家假設,數十億年後,隨著銀心銀盤逐漸發展成熟,狀態就會穩定下來。

但佩納魯皮亞和彼得森的分析,證明上述假設可能是錯誤的。即便在 140 億年以後,銀河系仍在持續發碰撞並重塑星系的整體形狀。這種認識,對我們如何了解天空中的牛奶之河而言,可說是最新的變化。

「我們認為我們對銀河系所知的一切,都和它的未來及歷史有關,」彼得森說,「我們需要一個新的模型來描述這些現象。」

責任編輯:Chris
核稿編輯:MindyLi

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