科學家公布最新銀河圖講述銀河系進化史

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科學家公布最新銀河圖講述銀河系進化史2013-09-01 12:08:54　來源: 網易探索　有1093人參與分享到

核心提示：最新的銀河系圖顯示，它是生於混沌成於風暴，目前仍處在一個洶湧騷亂的複雜狀態中，它未來的命運註定是場災難。

拼制的銀河系全景圖

利用最新太空望遠鏡數據，模擬顯示出從銀河系以外看到的銀河系圖像

仰望星空，就能看到一條白色的光帶划過夜空，羅馬人稱之為via lacteal——牛奶路。早在上世紀20年代，天文學家就知道這條光帶是銀河系的視野邊界，而我們正生活在其中。銀河系就像一個巨大的風車，其中包含了大量星雲、氣雲和數以十億億計的恆星。人們曾經以為，銀河系及其他類似星系都很安靜：在無數世代之前形成了沉重而緩慢地旋轉結構，並平平穩穩地步入了中年期。

但很快，人們就開始用新的眼光重新審視銀河系。上世紀70年代和80年代初，新一代地面和空間望遠鏡開始繪製銀河系圖，波長涵蓋從微波到X射線範圍，揭示了其蘊含的無比豐富的內容。到本世紀，許多系統計劃追蹤觀察了大部分天空的星繫結構。這些星系極其巨大，之前還沒有人注意過它們。近10年來，許多天文小組競相建造強大的計算機，從宇宙到恆星群各級尺度模擬星系起源的模型。今年，智利的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）將以前所未有的精細水平來繪製星系圖。

天文學家還在努力消化所有這些新的信息。儘管還存在一些分歧、不確定和未解的問題，但至今已無人能說，我們的宇宙是一潭死水。最新的銀河系圖顯示，它是生於混沌成於風暴，目前仍處在一個洶湧騷亂的複雜狀態中，它未來的命運註定是場災難。

暗物質暈

銀河系出生過程中事件發生的確切順序至今仍有爭議，但天文學家們都同意，故事是從暗物質開始。

暗物質遍布各處，人們看不見它們，至今也不知道它們究竟是什麼，但它的質量要超過普通物質——恆星、氣體及其他由原子構成的物質——大約5倍，人們只能通過它們施加於可見恆星和星系的萬有引力來推斷暗物質的存在。天文學家從上個世紀70年代就知道了銀河系，就像其他星系一樣，是個包裹著暗物質的巨大的繭；若沒有其中心的暗物質，普通物質產生的萬有引力不足以將星系凝聚在一起。

大約137億年前的大爆炸後，萬有引力在暗物質中造成了微小的不規則，這種不規則逐漸積累，在各個尺度形成了越來越稠密的團塊。模擬顯示，這種凝聚過程不斷持續，變成了混亂的碰撞與合併。但在大爆炸後的10億年內，情況還略為安定，某些暗物質團塊看起來更像是圍繞著銀河系：一個大致的球形暈，跨越幾百千秒差距（kiloparsecs，1千秒差距約3260光年）之遙，質量是太陽的1012倍，還有許多較小的次級暈，最小的質量只有地球那麼大。

在這些暗物質暈內部，是稀薄的原始氫氣和氦氣的煙霧，被暗物質的萬有引力拉扯著。又過了幾億年後，這些氣體冷卻下來，開始凝聚成恆星，成為創造銀河系的原材料。但要模擬這一過程非常困難。加利福尼亞大學聖克魯茲分校天文學家佩羅·馬多說，暗物質只能解答萬有引力的問題，而我們了解萬有引力。要把普通物質組裝成現在的星繫結構的樣子，還涉及到碰撞、耗散、冷卻、加熱和爆炸諸多過程。「這是非常複雜的。」

矮星系

難題之一就是那些次級的暗物質亞暈。雖然超過了一定質量，但卻無法確定它們究竟有多大。它們要能把足夠多的氣體拉在一起形成恆星，變成矮星系。矮星系是一種由恆星和氣體組成的不規則的整體，質量大約只有現在銀河系的1%。如果情況確實如此，應該有數千個矮星系圍繞銀河系在旋轉。而迄今為止，人們能觀察到的矮星系只有24個。

這和理論存在很大差異。一個解釋是，事實上真有更多的矮星系，但它們含有大量暗物質，光芒極微弱接近不發光，所以幾乎看不到它們。比如Segue 1矮星系，是宇宙中最暗淡的星系，其所含暗物質是發光物質的上千倍。「我們非常希望能發現那些幾乎不發光的矮星系。」加利福尼亞大學聖克魯茲分校天文學家康妮·洛克希說，「這些矮星系能告訴我們一個臨界質量，低於臨界質量的暗物質亞暈不能形成恆星和主星系。」

另一個可能的解釋是，某些亞暈太小而無法形成恆星，也就變得完全黑暗。要想找到這種暗物質的亞星系團，天文學家要在矮星系或恆星流附近發現它們的萬有引力效應，而這至今未能令人信服地觀察到。「我們渴望找到一個內部沒有任何星系的暗物質亞暈。」洛克希說。

除此之外還有其他解釋，比如確實形成了更多矮星系，但由於第一代恆星質量非常大、非常熱而且發生了爆炸，吹走了所有氣體和恆星，只剩下了那些質量最大的亞暈。

恆星暈

不管怎樣，星系創生過程在飛快地進行著。氣體和矮星系向內旋轉，氣體質量不斷增加，恆星在暗物質暈的中心逐漸堆積，形成銀河系的最初原型。俄亥俄州克利夫蘭凱斯西儲大學天文學家希瑟·莫里森說，這時矮星繫到處運動，情況是一片混亂。不可避免地，它們中有一些由於靠得太近而無法繼續凝聚，萬有引力將它們從中分裂。

僅在目前銀河系的外圍區域，就布滿了這種事件的殘骸：明顯的恆星流沿著原來矮星系的軌道環繞著銀河系。這些恆星流很不容易發現，它們非常微弱，而且分布在廣闊的天空。但研究小組已經發現了越來越多的這種恆星流，如人馬座矮星系和它的恆星流，這表明確實有一個矮星系曾經分裂過。

這些恆星流穿過一個微弱的、彌散的恆星暈。這個恆星暈從銀河系約100千秒差距的地方向四面八方擴展，形成一個大致的球體，總質量約為太陽質量的109倍。恆星暈的質量可能不超過矮星系混亂了幾十億年後所剩下的殘骸質量，但它們的故事可能比矮星系還要複雜。

2007年，澳大利亞悉尼麥誇里大學丹妮拉·卡羅洛和美國亞利桑那州圖森市基特峰國家天文台主管蒂莫希·比爾斯領導的一個研究小組，證明了一些早期的線索，恆星暈可分為內層和外層兩個部分：處在外層的恆星，根據其光譜顯示，一般只有微量的重元素，比如鐵。這表明，這些恆星是從宇宙的第一代恆星中分離出來的唯一一代，而第一代恆星是在大爆炸後10億年內形成的。如果沒有其他因素，這也揭示了外層暈中重元素的位置分布，記錄了早就消失了的第一代恆星是什麼樣子。

馬里蘭州太空望遠鏡科學研究所的詹森·卡利萊的研究表明，內層暈的恆星更年輕，所含的重元素也更多，它們大約有114億歲。此外，外層暈的恆星平均運動與銀河系的運動方向相反，而內層暈恆星的旋轉與銀河系方向一致。

銀盤

這種運動方式表明，外層暈是從混亂的矮星系中形成，而內層暈是中心大漩渦的殘餘，早期銀河系的雛形被壓進了它現在的大風車中。

幾十年前，人們就理解了這種撞擊的動態過程：被萬有引力拉過來的氣體和矮星系不斷碰撞，每次碰撞都會消耗一些軌道能量，使它們向內落入銀河系深處。當它們接近中心時，最初一個很小的隨機旋轉就被放大，隨著物質收縮而旋轉得越來越快，慢慢地變得扁平而形成一個薄薄的銀盤。

在銀盤內部，萬有引力相互作用產生了恆星軌道，氣體星雲也開始互相碰撞，堆積在一起，使天空中發生了交通堵塞：旋轉的「密度波」形成了銀河系的螺旋「手臂」（在某些星系中，旋臂也可能是振動波在星際氣體中傳播所致）。

然而在細節方面，還存在很多不確定性。加州大學歐文分校天文學家詹姆斯·巴洛克說，比如銀盤的形成花了10億年，還是100億年？沒人能肯定地回答。

造星運動

銀河系以很快的速度不斷地把氣體變成恆星，每年都有許多像太陽那麼大質量的恆星誕生。照這種速度發展下來，到現在它應該已經用完了所有能用的氣體。但它仍在不斷製造著恆星，這一過程已持續了至少100億年。維持它造星的強大動力是什麼？要想持續造星，它必須像一個複雜的「生態系統」那樣，能夠自身維持下去。在這個「生態系統」中，物質能夠在恆星和星際氣體之間來回循環。

大部分星際氣體非常稀薄，可能每立方米只有幾百個原子，只靠恆星發出的紫外線就能以熱離子的形式在銀盤中漂移。上個世紀70年代，天文學者發現，有時由於某些尚不完全清楚的原因，氣體本身也能聚集成密集的雲，這種雲密度很大，恆星發出的光也無法穿透其內部，內部氣體溫度只有10到30開氏度，這讓原子能夠形成分子，如氫分子和一氧化碳分子，這時它們應該叫做「分子雲」。但由於萬有引力作用，分子雲的密度也不穩定，一旦超過了臨界密度，就會點燃核聚變反應而變成恆星。

這些雲的恆星形成區也叫「恆星育兒所」，這裡通常是混亂無序的：新生恆星以星風的形式猛烈地向外噴射著物質，並伴以大量的紫外線輻射。其中質量最大的也會很快死於超新星爆發；其他的擴張成紅巨星並脫落掉最外層，最終結束生命。這些過程都會向更遠的星系噴出氣體，最終在那裡變冷、凝聚，開始新一輪的循環。

「它必須能從某個地方獲得氣體。」澳大利亞國立大學的肯·弗里曼說。某個地方可能還有一個外部儲藏庫。人們通過X射線和極紫外波長望遠鏡觀察到，有一團熱氣暈包圍著銀河系的恆星暈。這個氣體儲藏庫還包圍著其他星系，它的絕大部分是被電離的氫，大約在100萬開氏度，從中心向外延伸幾百千秒差距。它的密度很低，每立方米大約含有100個氫原子，但它的質量極大，至少相當於銀河系中所有恆星的質量。「這正是一個巨大的儲藏庫！」弗里曼說，銀河系造星運動用掉的物質只不過是其中的一小部分。

當熱氣暈變冷變稠密到一定程度，會落入銀河系。「就像霧氣中會凝結出水珠。」俄亥俄大學大衛·溫伯格說，還可能產生人們觀察到的高速雲，落入銀盤。反過來，這些雲可能與「噴泉」有關（「噴泉」是恆星爆發成超新星時噴出的氣體，能噴到銀盤以外10千秒差距到100千秒差距遠）。理論上，這些「噴泉」飛入氣暈，吸收一些電離氣體後再返回銀盤，仍成為高速雲。「我們看到一些物質出去，一些物質進來，但不能確定出去的物質和進來的物質是否一樣。」溫伯格說。

銀核與銀閂

在銀河系中心，距離地球約8千秒差距的地方，有一個膨脹鼓起的核球：最古老的恆星都聚集在這裡，大約有100億歲那麼老，質量大約是1010個太陽那麼大。還有一條像門閂似的直線，長約2千秒差距到4千秒差距，將核球一分為二，這裡的恆星更年輕。這條銀閂的起源還有爭議，但其他螺旋星系中也都有類似的銀閂。

核球內部是一個巨大的黑洞，精確地坐落在銀河系正中心，質量約為400萬個太陽。我們這個「本地」黑洞還算是很小的，大部分星系都有一個黑洞，一般能達到幾十億個太陽質量。我們這個黑洞目前也不活躍，也就是說沒什麼東西被它吞掉。

然而它也曾經活躍過。2010年，哈佛—史密松森天體物理學中心的道格拉斯·芬克貝納發現了兩個泡泡，分別位於核球兩邊，方向與銀盤垂直。每個泡泡有7600秒差距長，黑洞發出的X射線界定了它們的輪廓，還有少量微弱的伽瑪射線噴流從星系中心射入泡泡內部。這兩個泡泡和噴流都是活躍黑洞的特徵，當有物質落入黑洞時才會這樣，發出能量噴流，並在周圍氣體中產生振動波。

在星系中心有一個活躍黑洞，這種情況相當普遍。這可能是所有星系都要經歷的一個階段。據芬克貝納推測，銀河系的黑洞大約在1000萬年前曾經活躍過，在此之前可能還有過活躍期。「如果它沒吞掉過什麼東西的話，質量不可能達到400萬個太陽那麼大。」

未來命運

10多年前，天文學家通過觀察就知道，離我們最近的大星系——仙女座中的螺旋星系M31，正向著銀河系迎面奔來。但他們不知道未來的碰撞能否避免，因為當時還無法測量M31在天空中的運動斜度，即它的自行量。

今年5月，太空望遠鏡科學研究所的羅蘭德·范德馬萊爾與同事將仙女座在不同時間的位置和背景星系做了對比，並測量了它的自行量，精確到11微弧秒每年——這相當於從月球上觀察人類指甲的生長。他們發現，仙女座和銀河系目前間隔距離約為770千秒差距，正在以每秒109千米的速度向對方靠攏，大約60億年後就會迎面撞在一起！然後，它們會彼此穿過，互相環繞運行，到70億年後，這兩個螺旋星系會合併在一起，形成一個橢圓形的星系。

橢圓星系也是星系的兩種主要形狀之一。相比於不斷製造恆星、充滿活力的螺旋星系，橢圓星系只是一大團沒什麼特色的氣體和恆星。

而奇怪的是，好像只有一小部分星系能完成這種轉變。整體上，它們要麼充滿活力，要麼進入休眠。理論對此給出的解釋是，兩個大星系合併導致了造星運動大爆發，很快用光了所有可得的氣體；也可能合併重新激活了星系中心的黑洞，造成高能震動和噴射，將氣體驅趕出了星系，或使氣體不斷攪動激蕩，變得非常熱以至於無法形成恆星。美國約翰·霍普金斯大學的蒂姆·海克曼說，無論這樣還是那樣，都使「氣體降落受阻，由此星系用光了所有能得到的氣體」。

宇宙包含的氣體總量是一定的，遲早銀河系會把所有氣體都轉變成恆星。宇宙中的「恆星形成正在逐漸停止，而恆星死亡正在增加」，海克曼說，那些只有太陽質量1/10的小恆星，能靜靜地生存1萬億年，但最終，它們也會爆發而走向滅亡。