在這個(gè)數(shù)字模擬中，學(xué)家系一個(gè)類似銀河系的已經(jīng)銀河大型星系與一個(gè)較小的矮星系相撞。天文學(xué)家認(rèn)為，改寫故事在銀河系發(fā)展的天文早期，至少發(fā)生過(guò)一次這樣的學(xué)家系大碰撞。

銀河系由一個(gè)密集的學(xué)家系恒星銀盤和一個(gè)彌散的球形銀暈組成。大小麥哲倫星云等矮星系，已經(jīng)銀河以及球狀星團(tuán)就潛伏于銀暈當(dāng)中。

在這些數(shù)字模擬中，一個(gè)類似銀河系的星系形成和演化了超過(guò)138億年——從早期宇宙到現(xiàn)在。最左列顯示了暗物質(zhì)的分布；中列為氣體溫度（藍(lán)色為冷，紅色為熱）；右列為恒星密度。每一行都突出顯示了不同的規(guī)模：最上面一行是星系盤的放大圖；中間行是銀暈的中距離視圖；最下行是銀河系周圍環(huán)境的放大圖。

這個(gè)模擬展示了一個(gè)類銀河星系在大約100億年間的形成和演變過(guò)程。許多較小的矮星系與主星系融合在一起，常常成為主星系的一部分。

大麥哲倫星云和小麥哲倫星云在婆羅摩火山上空升起。這座火山是印度尼西亞爪哇島婆羅摩騰格塞梅魯國(guó)家公園的一座活火山。
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)新浪科技（任天）：在過(guò)去兩年中，天文學(xué)家已經(jīng)改寫了我們星系的故事。當(dāng)撒哈拉以南非洲以采獵為生的科伊桑人凝視劃破夜空的蜿蜒群星時(shí)，他們看到的是篝火的余燼（根據(jù)基因研究，科伊桑人在10萬(wàn)年前就已存在，為已知最古老的民族）；同樣的星空在波利尼西亞水手看來(lái)，則是一條吞噬云朵的鯊魚；古希臘人則看到了一股流淌的奶汁，并稱之為“gala”，這個(gè)詞最終演變成了現(xiàn)代的“galaxy”；在中國(guó)，這條群星組成的霧狀條帶宛如銀色的河流，也就是“銀河”或“天河”。
到了20世紀(jì)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我們身處的銀河系只是一個(gè)巨大的“恒星島”的一部分，銀河的起源故事揭開了新的篇章。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該理論認(rèn)為，我們的銀河系是在近140億年前由巨大的氣體云和塵埃在引力作用下合并而成的。隨著時(shí)間的推移，出現(xiàn)了兩種結(jié)構(gòu)：首先是一個(gè)巨大的球形“銀暈”，后來(lái)則變成一個(gè)密度大、亮度高的圓盤。數(shù)十億年后，太陽(yáng)系在這個(gè)圓盤中形成，也開始圍繞其中心旋轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)我們?cè)谝雇硐蛐强胀r(shí)，其實(shí)是從圓盤的內(nèi)部向外看，因此銀河系呈現(xiàn)出在天球上環(huán)繞一圈的帶狀。
然而，在過(guò)去兩年中，研究人員幾乎改寫了銀河系歷史的每一個(gè)主要章節(jié)，而這主要?dú)w功于他們得到了更好的數(shù)據(jù)。
2018年4月25日，歐洲空間局的蓋亞（Gaia）空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)布了大量有關(guān)星空的觀測(cè)資料。最為重要的是，蓋亞的多年數(shù)據(jù)集詳細(xì)描述了大約10億顆恒星的運(yùn)動(dòng)。此前的調(diào)查只繪制了數(shù)千顆恒星的移動(dòng)地圖，而蓋亞的新數(shù)據(jù)讓原本沉寂的銀河系成為天文學(xué)研究的熱點(diǎn)。法國(guó)斯特拉斯堡天文臺(tái)的天文學(xué)家費(fèi)德里科·斯蒂托說(shuō)：“蓋亞開啟了一場(chǎng)新的革命。”
天文學(xué)家們爭(zhēng)相下載動(dòng)態(tài)的恒星地圖，隨后取得了一系列發(fā)現(xiàn)。例如，他們發(fā)現(xiàn)圓盤的某些部分看起來(lái)古老得不可思議。他們還發(fā)現(xiàn)了劇烈碰撞塑造年輕銀河系的證據(jù)。此外，新的跡象表明，銀河系將繼續(xù)以一種意想不到的方式發(fā)生攪動(dòng)。
這些結(jié)果綜合起來(lái)，為銀河系動(dòng)蕩的過(guò)去和不斷變化的未來(lái)勾勒出了一個(gè)新的故事。“我們對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)變化得如此之快，”英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的天文學(xué)家邁克爾·彼得森說(shuō)，“主旋律是銀河系并非一個(gè)靜止的物體，其各個(gè)部分的情況都在快速變化。”
最早的恒星
為了回溯銀河系最早期的歲月，天文學(xué)家需要尋找當(dāng)時(shí)存在的恒星。這些恒星只由宇宙中最原始的物質(zhì)——?dú)浜秃ぁM成。幸運(yùn)的是，這些早期恒星中較小的成員燃燒緩慢，因此許多恒星仍在發(fā)光。
經(jīng)過(guò)幾十年的調(diào)查，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了42顆這樣的古恒星。它們被稱為超貧金屬星（ultra metal-poor star）。這里的“金屬”不同于一般意義上的金屬，由于氫和氦在宇宙中的組成量占了壓倒性多數(shù)，天文學(xué)家將所有更重的元素都視為金屬。根據(jù)以往對(duì)銀河系的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知，這些超貧金屬星應(yīng)當(dāng)遍布銀暈，即銀河系最初形成的部分。相比之下，銀河系盤面——被認(rèn)為需要額外約十億年的旋轉(zhuǎn)才能變得扁平——中的恒星應(yīng)該具有較多碳和氧等更重的元素。
2017年底，費(fèi)德里科·斯蒂托開始研究這群超貧金屬星是如何移動(dòng)的，并通過(guò)編寫代碼來(lái)分析即將公布的蓋亞觀測(cè)資料。他認(rèn)為，也許這些恒星的球形路徑可以為銀暈的形成提供一些線索。
在蓋亞的數(shù)據(jù)發(fā)布后的幾天里，斯蒂托從完整的數(shù)據(jù)集中提取了42顆古老恒星，然后追蹤它們的運(yùn)動(dòng)。他發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)恒星流動(dòng)如預(yù)測(cè)的那樣穿過(guò)了銀暈，但也有大約四分之一的恒星不是如此。相反，它們似乎陷入了銀河系最年輕的區(qū)域——銀盤上。這一結(jié)果令斯蒂托感到非常困惑。
后續(xù)研究證實(shí)，這些恒星的確長(zhǎng)期存在于銀盤上，而不僅僅是過(guò)客。通過(guò)最近的兩次調(diào)查，斯蒂托和同事收集了大約5000顆貧金屬恒星。它們中有數(shù)百顆似乎可以稱得上銀盤的“永久居民”。另一組研究人員篩選了第二次調(diào)查中確定的大約500顆恒星，發(fā)現(xiàn)大約十分之一的恒星平躺在類似太陽(yáng)軌道的圓形軌道上。第三個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，在扁平的銀盤軌道上，有不同金屬豐度（因此年齡也各不相同）的恒星都在運(yùn)動(dòng)。巴黎天文臺(tái)的天文學(xué)家、研究第一作者保拉·迪馬泰奧表示：“這是一個(gè)全新的情況。”
為何會(huì)出現(xiàn)這樣與年齡不吻合的情況呢？斯蒂托推測(cè)，可能是原始?xì)怏w團(tuán)設(shè)法避開了從超新星中拋出的所有金屬，然后坍縮形成了看起來(lái)很古老的恒星。還有一種說(shuō)法是，銀盤可能是在銀暈成形的時(shí)候就開始形成，比原先預(yù)計(jì)的提前了近10億年。
為了弄清哪一種可能性更大，斯蒂托聯(lián)系了托拜厄斯·巴克，后者是德國(guó)波茨坦萊布尼茨天體物理研究所的研究者，擅長(zhǎng)星系的數(shù)字模擬。在以往的研究中，天文學(xué)家一般認(rèn)為銀暈先產(chǎn)生，然后才形成銀盤，但這些研究都是基于分辨率相對(duì)較低的數(shù)據(jù)。
托拜厄斯·巴克將他的模擬銳度提高了10倍。在這種分辨率下，每次運(yùn)行都需要大量的計(jì)算資源。即使他可以使用德國(guó)的萊布尼茨超算中心，一次模擬也需要三個(gè)月的計(jì)算時(shí)間。最終，他重復(fù)了6次這樣的模擬。
在這6次模擬中，有5次產(chǎn)生了與銀河系極為相似的“二重身”；而其中兩次模擬的特征是出現(xiàn)了大量貧金屬銀盤恒星。
這些古老的恒星是如何進(jìn)入銀盤的？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它們是“星際移民”。其中一些恒星誕生于銀河系之前的氣體云中。然后，這些氣體云碰巧將它們的一些恒星送入了某些軌道，這些軌道最終形成了銀盤的一部分。其他恒星來(lái)自于較小的“矮”星系，這些星系在猛烈撞擊銀河系之后，融入了正在形成的銀盤。
該小組在11月發(fā)表的研究結(jié)果表明，經(jīng)典的銀河系形成模型并不完整。正如預(yù)期的那樣，氣體云確實(shí)會(huì)坍縮成球狀銀暈，但當(dāng)恒星以適當(dāng)?shù)慕嵌鹊絹?lái)時(shí)，也能同時(shí)觸發(fā)銀盤的形成。“（理論家們）并沒(méi)有錯(cuò)，”托拜厄斯·巴克說(shuō)，“他們只是缺少了一部分信息。”
躁動(dòng)的年輕銀河
復(fù)雜的事情還不止這些。天文學(xué)家通過(guò)蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了銀河系“年輕”時(shí)發(fā)生過(guò)劇烈碰撞的直接證據(jù)。在以往的假設(shè)中，銀河系有一個(gè)躁動(dòng)的年輕時(shí)代，而普林斯頓高等研究院的天文學(xué)家赫爾墨·科佩爾曼在蓋亞任務(wù)數(shù)據(jù)的幫助下，終于具體確定了來(lái)自最大規(guī)模合并事件的殘余。
科佩爾曼回憶稱，蓋亞任務(wù)2018年的數(shù)據(jù)發(fā)布是在一個(gè)周三，對(duì)資料的瘋狂下載甚至使網(wǎng)站都停機(jī)了。他在周四處理了這些數(shù)據(jù)，而到了周五他已經(jīng)知道，一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)即將浮出水面。在銀河系的各個(gè)方向，他都發(fā)現(xiàn)了大量的銀暈恒星，以同樣奇特的方式在銀河系中心來(lái)回移動(dòng)——這可能表明它們來(lái)自于一個(gè)單獨(dú)的矮星系。科佩爾曼和同事在周日之前就準(zhǔn)備好了一篇簡(jiǎn)短的論文，并在當(dāng)年6月接著進(jìn)行了一項(xiàng)更詳細(xì)的分析。
銀河系的殘骸到處都是。銀暈向各個(gè)方向延伸數(shù)十萬(wàn)光年，其內(nèi)部6萬(wàn)光年范圍內(nèi)的所有恒星中，可能有一半來(lái)自這次單獨(dú)的碰撞，這可能使年輕的銀河系增加10%的質(zhì)量。“對(duì)我來(lái)說(shuō)，這相當(dāng)于游戲規(guī)則都改變了，”科佩爾曼說(shuō)，“我以為會(huì)有很多不同的小物體。”
研究小組將這個(gè)撞向銀河系的矮星系命名為“蓋亞-恩克拉多斯”（Gaia-Enceladus），以希臘女神蓋亞與她的巨人兒子恩克拉多斯命名。劍橋大學(xué)的另一個(gè)研究小組大約在同一時(shí)間獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這個(gè)星系，并在某些軌道圖上給它起名為“蓋亞香腸”（Gaia Sausage）。
大約100億年前，當(dāng)銀河系和“蓋亞-恩克拉多斯”相撞時(shí)，銀河系脆弱的圓盤可能遭受了廣泛的破壞。天文學(xué)家爭(zhēng)論的一個(gè)問(wèn)題是，為什么銀河系的星系盤似乎有兩個(gè)部分，一個(gè)較薄，一個(gè)較厚，后者的恒星會(huì)在環(huán)繞星系中心的軌道上來(lái)回“蹦跳”。由迪馬泰奧領(lǐng)導(dǎo)的研究表明，“蓋亞-恩克拉多斯”的大部分盤面發(fā)生了爆炸，并在碰撞過(guò)程中膨脹起來(lái)。科佩爾曼說(shuō)：“第一個(gè)古老銀盤的形成非常快，我們認(rèn)為蓋亞-恩克拉多斯摧毀了它。”
在被稱為球狀星團(tuán)的恒星集團(tuán)中，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了額外合并的跡象。德國(guó)海德堡大學(xué)的天文學(xué)家Diederik Kruijssen利用星系模擬訓(xùn)練了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)球狀星團(tuán)進(jìn)行了細(xì)致觀察，主要研究其恒星的年齡、組成和軌道。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以重新構(gòu)建出導(dǎo)致星系重組的碰撞。然后，他對(duì)銀河系的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。該程序重建了已知的事件，比如蓋亞-恩克拉多斯；以及一個(gè)更古老、更重要的合并事件，研究小組將其命名為“克拉肯”（Kraken，北歐神話中的北海巨妖）。
2020年8月，Kruijssen的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了銀河系和塑造它的矮星系之間的合并事件譜系。他們還預(yù)測(cè)了過(guò)往另外10次碰撞的存在，并希望能夠通過(guò)獨(dú)立觀測(cè)加以證實(shí)。“我們還沒(méi)有找到另外10個(gè)事件，”Kruijssen說(shuō)，“但我們會(huì)找到的。”
所有這些合并事件促使一些天文學(xué)家提出，銀暈可能幾乎完全由移民恒星組成。20世紀(jì)60年代和70年代的模型預(yù)測(cè)，大多數(shù)銀暈恒星應(yīng)當(dāng)是在適當(dāng)?shù)奈恢眯纬傻摹５像R泰奧表示，隨著越來(lái)越多的恒星被確定為銀河系的入侵者，天文學(xué)家可能不需要假設(shè)銀河系中有很多“本地”的恒星。
仍在生長(zhǎng)的銀河系
在最近的上億年時(shí)間里，銀河系經(jīng)歷了一段相對(duì)平靜的歷史，但新來(lái)者仍在不斷涌入。南半球的觀星者可以用肉眼觀察到一對(duì)矮星系，分別為大麥哲倫星云和小麥哲倫星云。長(zhǎng)期以來(lái)，天文學(xué)家一直認(rèn)為這對(duì)矮星系是銀河系堅(jiān)定的軌道伴侶，就像兩顆衛(wèi)星一樣。
后來(lái)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在2006年至2013年期間進(jìn)行的一系列觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，它們更像是飛來(lái)的隕石。美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的天文學(xué)家尼提亞·卡里瓦亞里爾測(cè)得這些星云以每秒330公里的速度靠近銀河系——幾乎是先前預(yù)測(cè)速度的兩倍。
幾年之后，愛(ài)丁堡皇家天文臺(tái)的天文學(xué)家豪爾赫·佩納魯比亞領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了梳理。他們得出結(jié)論，這些快速移動(dòng)的星云一定非常巨大，可能比之前認(rèn)為的要大10倍。
“驚喜真是一個(gè)接著一個(gè)。”佩納魯比亞說(shuō)道。
許多研究小組都預(yù)測(cè)，這些異常“粗壯”的矮矮星可能會(huì)拖著銀河系的一部分旋轉(zhuǎn)。2020年，佩納魯比亞開始與彼得森合作尋找相關(guān)證據(jù)。
尋找銀河系尺度的恒星運(yùn)動(dòng)要面臨一個(gè)挑戰(zhàn)，那就是銀河系堪稱一場(chǎng)由無(wú)數(shù)恒星組成的“暴風(fēng)雪”，而天文學(xué)家就像在一片雪花上往外看。因此，佩納魯比亞和彼得森花了大部分時(shí)間研究如何抵消地球和太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，以及如何平衡銀暈恒星的運(yùn)動(dòng)，這樣銀暈的外邊緣才可以作為一個(gè)靜止的背景。
他們?cè)谛?zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，地球、太陽(yáng)及其所處銀盤的其他區(qū)域，都在朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，并不是朝向大麥哲倫星云的當(dāng)前位置，而是朝著其在大約十億年前的位置（彼得森解釋道，銀河系是一只笨拙的巨獸）。他們最近在《自然-天文學(xué)》（Nature Astronomy）雜志上詳述了這些發(fā)現(xiàn)。
銀盤相對(duì)銀暈的移動(dòng)破壞了一個(gè)基本假設(shè)：銀河系是一個(gè)處于平衡狀態(tài)的物體。此前大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為，銀河系可能在太空中旋轉(zhuǎn)或滑動(dòng)，但經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的演變，成熟的銀盤和銀暈已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)。
佩納魯比亞和彼得森的分析證明這種假設(shè)是錯(cuò)誤的。即使在140億年之后，合并事件仍在繼續(xù)塑造著銀河系的整體形狀。這一認(rèn)識(shí)反映了我們對(duì)天空中這條璀璨銀河的最新理解。“所有我們認(rèn)為已知關(guān)于銀河系未來(lái)和歷史的一切，”彼得森說(shuō)，“都需要一個(gè)新的模型來(lái)進(jìn)行描述。”
相關(guān)報(bào)道：隱藏銀河系歷史的化石碎片驚現(xiàn)
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)科技日?qǐng)?bào)（張佳欣）：銀河系中心球面成分（又稱凸起）的形成和演化過(guò)程仍不清楚，凸起中是否存在年輕恒星一度引發(fā)爭(zhēng)議。近日，國(guó)際天體物理學(xué)家小組在銀河系中心周圍塵埃云中發(fā)現(xiàn)了從未見(jiàn)過(guò)的原始?xì)怏w和恒星團(tuán)。他們將這類新的由大量原始物體“遺跡”組成的恒星系統(tǒng)命名為“凸起的化石碎片”，這些原始物體在120億年前誕生了銀河系。研究結(jié)果發(fā)表于14日的英國(guó)《自然·天文學(xué)》雜志。
研究人員在分析利勒1號(hào)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一新系統(tǒng)。利勒1號(hào)是一個(gè)銀河系凸起中的恒星系統(tǒng)，40多年來(lái)一直被歸類為“球狀星團(tuán)”，即由數(shù)百萬(wàn)顆同齡恒星組成的系統(tǒng)（銀河系至少有150個(gè)球狀星團(tuán)）。然而，通過(guò)仔細(xì)觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)利勒1號(hào)的真實(shí)身份實(shí)際上比目前所認(rèn)為的更復(fù)雜，也更令人著迷：它是一個(gè)巨大星團(tuán)的化石碎片，大約120億年前，這些星團(tuán)合并形成了銀河系中心的凸起。
“這是一個(gè)恒星遺跡，一個(gè)包含銀河系形成歷史的化石發(fā)現(xiàn)。”意大利博洛尼亞大學(xué)弗朗西斯科·費(fèi)拉羅教授說(shuō)。
利勒1號(hào)偽裝成球狀星團(tuán)，但組成它們的恒星的年齡揭示了它們身份的與眾不同。通過(guò)南雙子座望遠(yuǎn)鏡觀察，結(jié)果令人“大吃一驚”，研究人員發(fā)現(xiàn)利勒1號(hào)至少有兩個(gè)年齡截然不同的恒星種群，最古老的形成于大約120億年前，也就是銀河系形成的同一時(shí)間；第二個(gè)要年輕得多，形成于10億—20億年前。“一方面，表明這些恒星系統(tǒng)出現(xiàn)在銀河系形成的早期階段；另一方面，表明它們能夠產(chǎn)生多個(gè)恒星生成事件。”
幾年前，研究人員發(fā)現(xiàn)了泰山5號(hào)，它的實(shí)際特征也與我們所認(rèn)為的球狀星團(tuán)特征不一致。它與利勒1號(hào)具備共同特征，同樣擁有一個(gè)與銀河系一樣古老的恒星種群和一個(gè)年輕得多的恒星種群（形成于45億年前）。這表明，這兩個(gè)系統(tǒng)都是在銀河系的同一時(shí)間形成的。
這項(xiàng)研究的合著者、意大利INAF空間科學(xué)天文臺(tái)研究員伊曼紐爾·達(dá)萊桑德羅補(bǔ)充道：“利勒1號(hào)和泰山5號(hào)擁有非常相似的特征，這使得我們能夠識(shí)別出一類新的恒星系統(tǒng)，這些系統(tǒng)起源于一些足夠大的祖先，足以保留超新星噴出的氣體。我們觀察到的只是這些巨大結(jié)構(gòu)的一些碎片。”
“銀河系的歷史寫在這些化石遺骸中。后者是宇宙非常年輕，只有10億年歷史的象征。”費(fèi)拉羅教授總結(jié)道，“多虧了這些化石遺骸的發(fā)現(xiàn)，我們才能開始閱讀銀河系的歷史，或許這還能幫助重新定義我們對(duì)銀河系凸起形成的認(rèn)識(shí)。”