在银河系中寻找星际战俘:“星际移民”蛛丝马迹

[ 录入者:zhangms | 时间:2017-05-11 10:38:12 | 作者:编译/谢懿 | 来源:新浪科技 | 浏览:805次 ]

来源:环球科学微信公众号

夜空中的点点繁星并非全是我们银河系的土著居民,许多诞生于其他星系的恒星混杂其间,幽幽地诉说着它们的家园被银河系侵占瓦解、它们自己被银河系掠夺俘虏的悲惨历史。找出这些星际战俘,追溯它们的来龙去脉,就能重建银河系征战侵略、发展壮大的历史,甚至还能探测银河系最黑暗的秘密——暗物质的分布及其本质。 

撰文    罗德里戈·伊巴塔(Rodrigo Ibata)

布拉德·吉布森(Brad Gibson)

翻译 谢懿

审校 赵刚

仰望星空,你能看见的所有恒星都是银河系的成员。离我们最近的大星系——仙女座星系(Andromeda)——远在至少200万光年以外,这个距离相当于银河系星盘直径的20 倍。肉眼无法分辨出仙女座星系中的单颗恒星,它们聚集在一起,看上去只是一个暗弱的光斑。对于银河系而言,那些恒星犹如居住在另外一个独立的宇宙之中。反过来,你也许会很自然地认为,天空中的恒星都是银河系中土生土长的土著居民。

事实真的如此吗?以北天球第二亮星大角(Arcturus,牧夫座α星)为例,它的运动方式与银河系中绝大部分恒星都略有不同,化学组成也有细微的差异。只有少数恒星有着与它相同的古怪特征,不过它们都散落在银河系的各个角落。从20世纪60年代开始,这些非典型恒星(还包括其他不同类型的非典型恒星)的起源,引发了一场激烈的学术争论。是银河系旋臂的引力迫使它们进入了古怪的轨道,还是它们根本就是形成于银河系外的“星际移民”?

近年来,一些尖端调查技术被运用到天文学等诸多科学领域。借助这些技术,天文学家发现,两种起源都是存在的。一些非典型恒星确实诞生于银河系中,后来被推入了特殊的轨道;然而也有数量大得惊人的非典型恒星(包括大角星在内)是货真价实的“星际移民”。确切地说,它们并不是自愿移民银河系的,也许称它们为“星际战俘”更为贴切。天文学家认为,这些恒星形成于较小的星系,这些星系后来被银河系俘获、掠夺和消化。在漫长的演化过程中,银河系已经征服了数百个这样的近邻。它们先前的居民现在也已混杂到了银河系的土著居民之间,仅仅留下一个对故乡的朦胧记忆。找到了这些恒星,天文学家就可以重建银河系的掠夺历史,并且探测它最黑暗的秘密——主宰着银河系命运的神秘暗物质。

星际移民

小星系一旦靠近巨星系,就会受到强大的引力潮汐作用,逐渐扭曲、瓦解,并被拉成纤细而壮观的星流。

发现这些星际移民,需要一双锐利的眼睛。从理论上说,这些恒星会排成长长的一串(也就是星流,stream),从而暴露自己的行踪,就像拥挤舞池中的康加舞队一样(康加舞起源于拉丁美洲,舞者会排成一个长队一起舞蹈)。逆流追溯,有些星流会通向球状星团或者银河系的某个卫星星系——那里大概是星流中恒星的发源地,有些星流则通往那些发源地如今仅存的遗迹。但实际上,由于“土著居民”相对均匀地分布在银河系中,星流几乎无法从点点繁星中突显出来,也就很难被人发现。为了克服这一难题,最近许多研究人员都采用了“匹配过滤”技术(matched-filter technique),这是第二次世界大战时期开发出来的技术,当时被用来获得来犯敌机的清晰影像。只要知道了土著恒星和“星际移民”的大致形态,这项技术就能过滤掉前者,让星流显现出来。

本文作者之一伊巴塔及同事在1994年发现的人马座星流,可能是最令人印象深刻的已知星流。这条星流宛如一串巨大的恒星项链,环绕在银河系周围。它的跨度超过100万光年,包含了大约1亿颗恒星,一直连接到人马座矮椭圆星系(Sagittarius dwarf elliptical galaxy,“矮”是指星系规模很小,“椭圆”是指星系形状呈椭球状)。银河系周围与它类似的小星系共有15~20个,它们就像卫星绕着行星一样围绕银河系旋转(因此又被称为卫星星系)。这些卫星星系大小不等,既有质量约为银河系十分之一的大麦哲伦云(Large Magellanic Cloud),也有质量为银河系百分之一的人马座矮星系,甚至还有质量仅有银河系百万分之一的暗弱星系。

居住在银河系附近可不是一件舒服的事情。这些小星系会逐渐变形,并被最终瓦解。人马座矮星系已经垂死挣扎了几十亿年,现已经走向瓦解。它的恒星将散落在整个银河系中,现在这样的星流也会逐渐消失,未来的天文学家将很难把它们与银河系的土著恒星区分开来。其他几个小星系也正在被银河系肢解,有些现在只剩下了一条星流(见第81页的表格)。大麦哲伦云则代表了另一类较为少见的现象——银河系从那里夺走的是气体,而不是恒星。

星系瓦解背后的机制是潮汐作用,这是我们非常熟悉的,同样的机制在地球上产生了海洋的潮起潮落。一个天体的不同部分经受不同的引力作用时,潮汐力就会产生。月球对地球朝向它的一面所施加的引力,比对背向它的一面施加的引力更大。两个力之间的差异尽管很小,不足以扯碎地球,却足以让海洋微微隆起。随着两个天体的相互绕转,海洋的隆起部位也会跟着转动,使地球上某一地点的海平面出现周期性的抬升或降低。与此类似,银河系也会在卫星星系或星团的一侧,施加比另一侧更大的引力作用,使它们扭曲变形。在这样的作用下,卫星星系或星团中的恒星会逐渐被银河系拖走。久而久之,卫星星系失去的恒星就会越来越多。这些恒星像面包上掉落的面包屑一般,在卫星星系的前后形成了长长的尾巴。

更微妙的线索

星流会被银河系逐渐吸收,最终化为无形。然而六维相空间中的微妙线索,却能在茫茫星海之中,找到这些“星际移民”的蛛丝马迹。

如此看来,人马座矮星系等卫星星系在银河系的构建过程中做出过贡献。这些发现彻底改变了天文学家原先对星系形成的理论认识:他们曾经认为,所有的星系都直接起源于原始宇宙中几乎察觉不到的物质密度涨落(天文学家观测证实,早期宇宙各处的物质密度几乎相同,仅有大约万分之三的差异),其后便经历了早期的雪崩式生长,很快演化成现在这副模样。现在,基于对星流的观测,研究人员普遍认为,只有质量不超过10亿倍太阳的矮星系经历了这样的快速形成过程;像银河系这样质量相当于千亿颗太阳的大型星系,则是后来通过吸积和吞并矮星系而逐渐形成的。这种吞并过程一直持续至今,不过强度已大不如前。

银河系吞噬近邻星系的过程被天文学家抓了个正着,他们又提出了更加深入的问题:这些古老的星系“建筑原料”具有什么样的化学组成?现在的大型星系中“星际移民”和“土著居民”的比例是多少?这些小星系带来的化学元素如何改变银河系早期的演化历史?这些星流就像化石一样,记录着星系构建的历史,除此之外,它们还能在探测暗物质方面大显身手。

要弄清这些问题,天文学家不仅需要了解哪些恒星正在被银河系掠夺,还要知道哪些恒星是已经被俘虏过来的。研究人员遇到的困难在于,一旦外来的恒星和气体混入银河系,我们就无法通过特有的空间分布来识别它们。天文学家必须找到更微妙的线索,来追溯这些恒星的起源,例如它们的运动模式和化学组成上的一些难以抹去的固有特征。

我们都习惯用位置和速度来刻画物体的运动。但运动还有其他不同的特性,可以用诸如能量和角动量之类的物理量来描述。正如物体的空间位置能够用3个坐标来描述,因此被称为三维空间一样,我们也可以用位置加上动量(一共6个物理量)来描述物体的运动状态,这个抽象的六维空间被称为相空间(phase space)。相空间的优点在于,与真实空间相比,恒星在相空间中的排列模式更有还原性(这里是指经历巨大变化之后恢复原状的能力)。尽管星系的吞并消化过程通常会破坏星流的空间结构,却无法抹去它们在相空间的整体结构。这就是统计力学中的一个重要原理——刘维定理(Liouville‘s theorem)。

因此,通过测量能量、角动量和相空间中恒星随机样本的密度,研究人员就能识别出无法直接观测到的星群。它们是很久以前被银河系瓦解的卫星星系的魅影。几个研究小组,例如荷兰卡普坦天文研究所(Kapteyn Astronomical Institute,位于格罗宁根市)的阿明娜·希勒米(Amina Helmi)和美国华盛顿大学的克里斯·B·布鲁克(Chris B。 Brook)各自领导的小组,已经用这项技术发现了一些被吞并的卫星星系的遗迹。

独特的化学指纹

“星际移民”的化学指纹与银河系土著极为不同,这项技术可以帮助我们追溯它们的共同起源,重建银河系的侵略历史。

另一项令人兴奋的技术被称为“化学指纹”(chemical fingerprinting)。绝大多数恒星都不是单独形成的,而是和成千上万颗恒星一起,从同一块星云中诞生的。每一块星云都有特有的化学元素和同位素混合比例,并被从中诞生的恒星继承下来。即使这群恒星分散开来,它们仍然会带着这种特有的化学标记,让天文学家能够追溯它们的发源地。加拿大维多利亚大学(位于大不列颠哥伦比亚省)的金·A·维恩(Kim A。 Venn)及同事已经证明,诞生于矮星系的恒星和典型的银河系“土著居民”拥有极为不同的化学组成。

摆在天文学家面前的一道更大的难题是,有没有可能追查出单颗恒星的诞生地点。欧洲南方天文台(European Southern Observatory)的加扬蒂·德席尔瓦(Gayandhi De Silva)及其同事,最近对银河系最著名的星团之一——毕星团(Hyades)进行了细致的化学研究。他们发现,星团中的恒星几乎拥有完全相同的化学元素丰度,这预示着化学指纹确实可以帮助天文学家确定恒星的共同起源。也许有一天,他们会找到太阳的同胞兄弟姐妹——那些与太阳形成于同一星云,现在却各奔东西、散布于银河系各处的恒星。

当我们发现人马座矮星系的星流时,许多同事认为这仅仅是一个有趣的发现,并没有太大的意义。但是不久之后,它就成了银河系并合与吸积历史的典型例证。现在天文学家已经普遍认为,并合与吸积才是星系形成与演化的主要推动力。被吞并的星系带来了新的恒星、气体和暗物质,同时也触发了大规模的恒星形成。正是这些星际移民使我们的银河系保持着勃勃生机。

本周热点

在新窗口打开 实际大小 关闭 鼠标滚轮缩放图片

loading.