宇宙到底有多大(三):地球的宿主星系——银河系

[ 录入者:champagnecat | 时间:2016-08-09 13:24:44 | 作者:京晶 | 来源:Astronomy | 浏览:2969次 ]
作者:Francis Reddy  原文来自:Astronomy   Posted:2015年12月刊
编译:京晶   审校:数星星的猫 (编译版权所有,未经许可请勿转载)
在晴朗、黑暗的夜晚,你总是能看到一条淡淡的光带横贯夜空。古代的先哲和科学家们早就注意到它了,但是,直至十分晚近的时候,他们才开始猜测它究竟为何物。有了望远镜之后,人们才弄清楚,这条光带——银河系——原来是由许许多多肉眼无法看见的黯淡恒星聚集在一起而形成的。又过了一百多年,英国天文学家托马斯·赖特提出,我们之所以看到这条光带是因为太阳处在一个恒星盘(银盘)中。
 
时至今日,我们已经知道这条光带是我们的宿主星系——银河系的侧影。经过两百年的研究,科学家获得了很多有关银河系的细节信息,尤其是它的尺寸。直到今天,天文学家还在与矛盾的证据斗智斗勇,并从中不断获得新发现。银盘中尘埃云密布,遮挡了星光。受自身位置所限,科学家们别无选择,只能透过银盘去解密银河系的结构。这就好比身处一个被浓雾笼罩的城市,却要从一个交叉路口去描绘城市的全貌一样。
 
上世纪20年代,银河系的真实大小——还有整个宇宙的大小——变得格外清晰。当时,新一代大型望远镜与摄影技术揭示出“旋涡星云”其实与银河系一样,都是星系——“岛宇宙”(当时的讲法)。巡天观测表明,绝大多数盘状星系都有弯曲缠绕的旋臂——那里聚集着恒星、气体和尘埃。天文学家假设银河系也是一个旋涡星系。到了50年代,射电望远镜通过跟踪银河系周围的气体云的运动情况,首次粗略地描绘出旋臂的样子。
 
在过去二十年里,能够穿透尘埃的红外巡天观测更加清晰地描绘出银河系的整个面貌。这些观测项目包括地面的两微米全天巡天(Two Micron All-Sky Survey)与斯隆数字巡天(简称SDSS),还有美国宇航局的两个空间探测器——大视场红外巡天探索者(简称WISE)和斯必泽空间望远镜(Spitzer Space Telescope)。在它们的帮助下,天文学家能够更好地定义银河系的旋臂,统计星团的数目,研究银盘中被尘埃遮挡的区域里正在发生的现象,揭示出银河系中心(银心)的核球结构实际上是一个形似橄榄球(球的尖部正对着我们)的巨大恒星云。正是这个发现改变了银河系的形态分类,把它从旋涡星系重新归类为棒旋星系。
 
现在,有好几个雄心勃勃且互为补充的观测项目力图描绘银河系的三维图像。欧洲空间局的盖亚(Gaia)探测器已于2013年升空,将以前所未有的高精度测量大约十亿颗恒星的位置和速度信息。
 
不过,“盖亚”主要工作在光学波段。也就是说,它对银盘的探测深度将会受到尘埃的限制。好在尘埃不影响射电观测。一个名为甚长基线天线阵(Very Long Baseline Array,简称VLBA)的探测设备能够以比“盖亚”还高的精度测量一小部分天体的距离和速度。它把分布在夏威夷和美属圣克罗伊岛上的十面射电望远镜联合起来当作一面望远镜使用,因此获得了迄今为止最高的分辨率。美国的贝塞尔(the Bar and Spiral Structure Legacy,简称BESSEL)巡天与日本的VERA(VLBI Exploration of Radio Astrometry,简称VERA)项目利用该技术优势对恒星形成区进行定位和速度测量,以此追踪银河系的旋臂结构。
 
继续向外
 
跨过奥托云的外边界——距离我们大约10万个天文单位或者1.6光年远,就是银河系的地盘了。在这里,太阳的引力已经衰弱到与邻近恒星的引力相差无几,途经此地的彗星可以彻底摆脱太阳的束缚。如今,距离我们最近的恒星是4.22光年远处的比邻星,但是,在过去或者未来,担任这一角色的可能另有其“星”。
 
所有的恒星都围绕银心转动。与太阳系行星的轨道相比,它们的轨道椭率更大、倾斜角也更大。目前,太阳距离银心2万7千2百光年(超过银河系半径的三分之一),距离银盘盘面大约90光年。每次围绕银心转动时(需2亿4千万年才能转完一圈),太阳的位置会在银盘面上下浮动。与太阳相邻的恒星,其运动轨迹与太阳稍有不同,这意味着邻近恒星的分布和构成在逐渐地变化着。这些恒星常常与太阳擦身而过,距离太阳最近时,比目前的比邻星还要近得多。
 
例如,2014年,德国波茨坦莱布尼兹天体物理研究所的天文学家Ralf-Dieter Scholz发现,WISE探测到的一颗暗淡的M型矮星离我们仅20光年远。我们从不知晓这个近邻的存在。在美国纽约市罗切斯特大学,以Eric Mamajek为首的研究团队注意到“Scholz星”实际上是一个双星系统。它的横向视运动速度极小,却正以极快的速度远离我们而去,说明它可能刚刚与太阳系擦身而过。
 
研究表明,这个双星系统正好从奥托云中穿过,在7万年前飞行至5万2千个天文单位处,由此成为了已知从最近距离处飞掠太阳系的恒星纪录保持者。如果这次近距离“接触”扰动了某颗彗星的运动轨道,那颗彗星将需要2百万年时间才能飞到太阳系行星的身边。但是,这个双星系统的质量较低——只有太阳质量的六分之一,再考虑到其从奥托云中穿行走过的路径,估计它很难对彗星产生较大的扰动。
 
像Scholz星和比邻星这样的暗弱、低质量M型矮星,实际上可算是银河系恒星族群的典型代表了。银河系大约有4千亿颗恒星,其中绝大多数可能都是M型矮星。不过,由于它们能够发出微弱的可见光,所以,在像WISE这样的红外波段巡天的帮助下,我们仍然可以找到位于太阳系附近的矮星。对恒星来说,质量决定命运。M型矮星也许不够明亮,但其较低的质量却意味着它燃烧核能源的速度很慢。即便太阳死后又过了几十亿年,它们依旧闪烁着荧荧辉光。
 
一些恒星甚至完全不发光。它们的核心从未进行过真正的氢聚变反应——恒星一生的能量之源。不过,它们在年少时,可以通过氘(氢的同位素)聚变反应获得能量。这些被称作褐矮星的恒星,其质量只有太阳质量的1.2%至7%。Scholz星的伴星就属此类。褐矮星的表面温度只及太阳表面温度的十分之一,虽然勉强算得上是恒星,但其数目却和真正的恒星相差无几。在太阳周围16光年的范围里,已知就有50多颗恒星和褐矮星,不过,其中仅有10颗肉眼可见。
 
星空也从另一方面扭曲了我们对银河系恒星的印象。在夜空里100颗最明亮的恒星之中,有三分之一与我们相距不超过100光年。此中有夜空里最亮的恒星——天狼星(8.6光年远),还有南河三(11光年)、织女星和北落师门(都是25光年远)、北河二(52光年)、毕宿五(65光年)和轩辕十四(77光年)。但是,另外三分之一却远在400光年之外,其中包括北极星(430光年)、心宿二(600光年)、参宿四(640光年)、参宿七(860光年),还有天津四(2600光年)。所有这些恒星不仅质量超过太阳质量7倍不止,还比太阳明亮成千上万倍。正因如此,它们飞快地消耗着自身的氢燃料。在太阳“熄火”前很久,它们就会在壮观的超新星爆发中走向生命的终点。
 
从恒星到星团
 
越往大质量端走,恒星的数目就越少。这不仅仅是因为质量最大的恒星,其寿命也很短。恒星往往脱胎于密度较高、温度较低的分子云。大质量恒星一旦形成,就会发出强烈的紫外辐射和能量强劲的星风(外向物质流),吹散孕育它的云团,从而限制了其附近形成其它大质量恒星的数目。在银河系中,能够发出超过太阳能量一百万倍能量的恒星,也不过数十颗而已。其中排在首位的是沃尔夫·拉叶星25(WR 25)和船底座的海山二。它们皆是大质量双星系统,距离我们大约7千5百光年远,其光度分别是太阳光度的630万倍和500万倍。除此之外,船底座星云中有8颗恒星,以及天鹅座OB星协中的7颗恒星,都是这样的大质量恒星。
 
船底座星云(NGC 3372)是银河系内最大的恒星“育儿所”。它距离我们7千5百光年。3百万年前,第一批新形成的恒星照亮了星云,使它焕发出勃勃生机。现在,它已经孕育 出9颗比太阳明亮一百万倍的恒星。(图片来源:NASA/ESA/N. SMITH(UCB)/THE HUBBLE HERITAGE TEAM(STScl/AURA))
 
 
用大质量恒星来测绘银河系的旋臂很给力。因为即使相隔遥远,我们也能看见它们。而且在还未远离自己的出生地时,它们就已经在爆炸中走完一生。爆炸照亮了正在消散的星云,激发了云团里的分子,比如水分子和甲醇分子。在合适的条件下(恒星形成区常常符合这样的条件),这些分子成为脉泽信号源——即微波波段的激光,其发出的光束能够穿透遮挡星光的尘埃云。
 
大质量恒星生也匆匆,死也匆匆,在超新星爆发中结束一生,留下类似上图中蟹状星云(M1)这样的遗迹。这样的恒星死亡事件产生的激波压缩周围的气体,常常引起新一轮恒星形成。(图片来源:NASA/ESA/J. HESTER AND A. LOLL(ASU))
 
各种类型的恒星团体也能够帮助我们追踪银河系的结构。OB星协是由十颗至几百颗炽热、年轻的O型与B型恒星组成的松散群体,展幅约几百光年。离我们最近的星协是470光年远的天蝎-半人马OB星协。著名的红巨星心宿二就是该星协的成员。这个星协中的年老成员已经有1千5百万岁了。在5百万年前,一次超新星爆发产生的激波促使附近的云团开始形成恒星。
 
相对来说,疏散星团——例如金牛座中的毕星团和昴星团(分别在150光年和440光年远)与巨蟹座的鬼宿星团(约580光年远)——则是比较紧密的恒星团体,其成员是在同一个分子云中出生的。在宽度不超过50光年的范围内,星团拥有的成员数目在几十至几百不等,而且星团会在几亿年里逐渐解体。天文学家已经在银河系中找到了1200个疏散星团,并为它们登记造册,不过,银河系内的疏散星团数目可能多达10万个。
 
金牛座的昴星团(M45)距离我们440光年远。它是典型的疏散星团,展幅为15光年,拥有大约500颗恒星成员。这些熠熠发光的天体将在未来几亿年里分散解体。(图片来源:NASA/ESA AND AURA/CALTECH)
 
在像猎户座星云和鹰状星云(分别位于1350和7千光年远)这样的地方,年轻恒星刚从其出生地——恒星形成云中冒出头来,并把云团照得红彤彤的。科学家们目击了不到200万岁的新生疏散星团的形成过程。借助红外辐射,我们可以探测到这些年轻星团,甚至在其还未露面之前就能知晓它们的存在。2015年,在巴西南里奥格兰德州联邦大学,Denilso Camargo带领的研究小组在分析了WISE的观测数据后,报告说他们发现了几百个被尘埃遮蔽、并且仍深深隐藏在其宿主分子云中的星团。
 
位于1千3百5十光年远处的猎户座星云(M42)是距离我们最近的大型恒星形成区。太阳可能就是在类似的云团中形成的。这样的云团能够形成1千至1万颗恒 星。(图片来源:NASA/ESA/M. ROBBERTO (STScl/ESA)/THE HST ORION TREASURY PROJECT TEAM)
 
OB星协、疏散星团、以及潜伏着的星团全部位于银盘中。但是,球状星团却是一个非常另类的星系示踪物。它们实质上是由恒星组成的巨大球体——在直径不足300光年的球形区域里密密麻麻地聚集着数以万计、甚至上百万颗恒星。银河系的球状星团数目不足200,却全部都有100亿年历史了。球状星团围绕银心运动,但由于其轨道倾斜角非常大,它们可以运动到距离银盘很高的地方去。科学家现在已经知道,银河系曾经从别处窃取过一些球状星团,这些留待后面再说。
 
在半人马座欧米伽球状星团核心处,两百万颗恒星在熠熠发光,虽然这些恒星只占了星团总质量的20%。该星团距离我们1万7千光年远,可能是一个被银河系撕碎 的矮星系留下的核球。(图片来源:NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScl/AURA))
 
 
银河系的结构
 
在20世纪早期,天文学家利用疏散星团和球状星团之间的差异去认识银河系的概貌。疏散星团在一个盘状区域内运动,银河系中几乎全部的恒星和尘埃也聚集在那里。这个盘厚约1千光年,从银心向外延伸至7万5千光年远。太阳系与银心之间的距离超过了盘半径的三分之一。
 
在盘中心,有一个大小约1万2千光年左右、形似橄榄球的区域——银河系的椭球,那里聚集着年老的恒星。虽然我们对银河系椭球的具体尺寸、形状和视角还不十分清楚,不过,我们的视角大致是从它的尖端看过去。直到最近,天文学家才把椭球视为“年老恒星活动中心”。大约100亿年前,银河系通过吞并小星系来增长质量。这些恒星就是在那个过程中快速生成的。高出银盘的核球部分确实以年老恒星为主。但是,最近也有研究表明,位于盘内的核球部分,其恒星的年龄差异较大——从30亿年至120亿年不等。此外,还有各种证据指出,银盘在演化中产生的自然扰动催生了核球的大多数恒星。
 
银河系的锚点——一个400万太阳质量的超大质量黑洞就隐匿在核球的中心。所有物质都围绕着它旋转。对银心的定期监测显示,这个黑洞经常发出X射线耀斑——这是物质葬身黑洞的信号。不过,与我们所知的大质量黑洞的所作所为相比,这还算不上什么。有证据表明,银河系的黑洞在过去更活跃。2010年,从美国宇航局的费米伽马射线空间望远镜传回的数据揭示从银心吹出的一个展幅达2万5千光年的伽马射线巨泡,这可能是发生在几百万年前的一次猛烈爆发的确凿证据。
 
在图中那片明亮云团中心处的亮点就是人马座A——一个坐拥4百万太阳质量的大黑洞。当物质旋转落入它的饕餮大口,它就发出强烈的X射线闪耀。这个超大质量黑 洞距离地球2万7千2百光年远,是银河系的引力锚点。(图片来源:NASA/CXC/UNIVERSITY OF WISCONSIN/Y. BAI, ET AL.)
 
 
我们对银盘的具体结构还知之甚少,比如旋臂的数目和位置。在红外波段看到的、隐藏在星团中的恒星,被年轻恒星照亮的星云,巨大的分子云、水脉泽和甲醇脉泽等等,近些年来,对这几千个源的射电研究似乎告诉我们,银河系有四条旋臂,从银心向外盘旋而出。从银心到太阳的方向,依次是矩尺座外旋臂、盾牌-半人马座旋臂、船底-人马座旋臂。再往外是英仙座旋臂,继续往外就是矩尺座外旋臂的外端了。
 
科学家认为,银河系有四条大旋臂,从中心的星棒盘旋而出。太阳距离银河系中心大约2万7千2百光年远。(图片来源:NASA/JPL-CALTECH/R. HURT(SSC-CALTECH))
 
 
长期以来,天文学家一直认为太阳系位于临近英仙座旋臂内侧的一处恒星活跃区内。然而,“贝塞尔”巡天和VERA观测项目取得的首批惊人发现其中之一,就是指出这个“活跃区”不容小觑,其与附近几条大旋臂一样有许多大质量恒星形成。此刻,天文学家也拿不定主意,到底把我们所处的这个区域视为是英仙座旋臂的分支呢,还是独立的一段旋臂。
 
不仅如此,星盘里还藏着更多的秘密。2015年,以北京国家天文台徐岩为首的研究人员根据斯隆数字巡天的观测数据,把银盘的尺寸扩大了原值的一半。以前的研究认为,银盘内的恒星数目在距离银心大约5万光年远处开始下降,但是,斯隆数据却在更远的1万光年处发现了一大圈恒星。该项新研究指出,之所以形成这样的现象是因为银盘内存在至少四波在盘面上下起伏的恒星。从太阳系向银盘外看去,银盘先是在几百光年范围内波动,然后,从距离太阳6千5百光年处开始下降,再上升,接着又下降,一直延伸到至少5万光年远处。也许,还有更多的涟漪有待发现。
 
这些涟漪可能是围绕银河系运动的小星系们引起的。其中特别引人注目的一个就是人马座矮球状星系。它已经来来回回穿过银盘好几次了,与此同时,自身也在慢慢解体成星流。就像往平静的水面丢入一粒石子那样,当卫星星系在银盘中穿梭,其引力作用就会在盘中激起涟漪。计算机数值模拟显示,卫星星系对星盘的引力拉扯有助于旋臂结构的形成。有趣的是,新发现的那些涟漪也与银河系旋臂的排布非常一致。
 
银盘被一个球体——银晕——包裹着,那里有球状星团、卫星星系、还有被从卫星星系中剥离出来的恒星。银河系——实际上绝大多数星系——通过吞噬许多小星系来壮大自己。我们今天看到的星流与几个小星系有脱不开的关系。银河系似乎还从人马座矮球状星系那里偷来几个球状星团。个头最大、最明亮的球状星团——距离我们1万7千光年远的半人马座欧米伽球状星团,其恒星构成就比其它球状星团要复杂得多。科学家们怀疑,它可能是很久以前,一个被银河系撕碎的矮星系留下的核球。
 
尽管如此,银河系的绝大部分物质是看不见的。银河系内的恒星和其它物质的运动揭示了存在一个远远超出可见结构的引力场。研究显示,银河系身处在一个由看不见的物质——暗物质——构成的、大致是球形的物质晕中,晕的直径达90万光年——比银盘直径大6倍。暗物质占宇宙物质总量的27%,在其引力作用下,普通物质形成各种结构,最终形成像银河系这样的星系。
 
目前,对银河系的研究已经取得了几项重要的新发现,但还有不少未解之谜。在未来十年,天文学家将会不断巩固、强化这门研究,获得精准的银河系三维结构图。这幅图像能让我们有史以来第一次,像观察其它星系那样,把银河系当作一个整体去研究——亚里士多德曾说过:“整体大于部分之和”。
 
从远处看,银河系是什么样子的?据我们所知,它看上去应该和棒旋星系UGC 12158差不多。这个星系的展幅约14万光年,距离我们有4亿光年远。(图片来源:ESA/HUBBLE AND NASA)

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