蓋亞繪制的星圖裡，藏着銀河系不為人知的混亂過去

　　來源：Nature自然科研

　　來自蓋亞探測器的數據從根本上改變了我們對銀河系演化的認知。

　　去年4月的，Amina Helmi在前往荷蘭北部上班的路上起了一陣雞皮疙瘩，并不是因為天氣冷，而是因為一種純粹的期待。幾天前，歐洲航天局(ESA)的“蓋亞”(Gaia)任務将過去五年繪制而成的超詳細銀河系地圖全數發布。作為格羅甯根大學的一名天文學家，Amina Helmi和她的團隊當時正争分奪秒地解讀這些數據，以期先人一步解開銀河系的秘密。

　　來源： ESA/Gaia/DPAC　　加班加點趕進度，激動得睡不着覺，Helmi和同事都預感将有大事發生。團隊一共發現了3萬顆“叛逃”恒星。不同于銀河系主體中其他天體的平面盤形繞軌運動，這些不守規矩的恒星逆其道而行之，沿着帶領它們離開銀道面的軌道運動。

　　團隊用了幾周的時間，發現了這群明亮的恒星昭示着銀河系曆史上一段不為人知的混亂過去：年輕的銀河系曾與一個巨大的伴星系發生過碰撞。這個巨大的伴星系曾圍繞着銀河系運動，就像行星圍繞恒星而轉，但在約80億-110億年前，兩者發生了碰撞，導緻銀盤發生巨變，恒星四散開來。這是迄今已知的在銀河系形成人類所熟知的旋臂結構前的最後一次大碰撞。

　　幾十億年來，那次古老的碰撞留下的信号就在我們眼前，但一直到蓋亞數據集公布之後，天文學家才能檢測到它。Helmi對此評價道：“能夠發現銀河系曆史上的這一裡程碑事件簡直太棒了。”

　　多虧了蓋亞任務，這類具有重大意義的發現層出不窮。蓋亞任務的目标是編制一張囊括10億多顆局域恒星的星表，記錄下它們的亮度、溫度、年齡、位置和速度。

　　其中，恒星的位置和速度對天文學家來說尤其重要：蓋亞任務之前，科學家一直缺少關于許多恒星的距離和“自行”(恒星在天空中的移動)的高精度測量數據。

　　一旦有了這些關鍵信息，就像Helmi和她的同事一樣，研究人員能尋找到沿着協調軌迹共同運動的天體，并發現它們的共同起源。知道恒星速度還有助于追溯暗物質的影響——謎一般的暗物質雖然看不見摸不着，卻是銀河系的主要質量來源，其引力能夠彎曲恒星的運動軌迹。

　　自從2018年4月蓋亞數據集公布以來，已有幾百篇論文相繼發表出來，它們所描繪的銀河系比我們原先所設想的更有活力，也更複雜。這個銀河系中充滿了驚喜，比如那些指向暗物質團存在的迹象，或許能讓科學家進一步認識暗物質的性質。英國劍橋大學天文學家Vasily Belokurov表示，那些容易發現的初期成果已經帶來了轉變，但這隻是一場天文學大發現的預演：“我們對銀河系的認識已經完全改變了。”

　　動蕩的過去

　　太陽系距離銀河系中心約8000秒差距(約2.6萬光年)，位于銀河系邊緣的次級旋臂——獵戶座懸臂。從這一高處望去，可以看到整個夜空群星閃耀，科學家也必須從這個位置繪制出整個銀河系的結構。

　　截至20世紀中葉，天文學家已經有了一個大緻框架，他們認為銀河系的恒星主要集中在中央核球内，并被類似蛇形彎曲的旋臂包裹，周圍還有一圈較薄的球形暈輪。上世紀七、八十年代，研究人員已經推導出這種結構是如何在過去幾十億年中慢慢形成的——最初不過是一團暗物質、氣體和塵埃。可見成分先是塌縮成盤狀結構，再通過吞噬較小的衛星星系逐漸向外脹大。之後，天文學家運用地面望遠鏡反複拍攝整個夜空，捕捉到了更多細節。這類觀測活動讓科學家能夠近距離觀察恒星暈等大型星系對象，他們在恒星暈中發現了進入恒星碎屑流的小型星系殘餘。

　　但是，地面觀測得到的銀河系結構信息畢竟有限，這主要因為地球的擾動大氣會影響恒星距離的測量精度。此外，雖然可以通過顔色變化判斷恒星朝向地球或遠離地球的運動速度，但想要得到恒星自行和完整的三維速度信息卻很難，因為從人類時間尺度來看，天空中大部分天體的運動可以說是微乎其微。因此，恒星之間的關系變得異常費解，而尋找不同恒星的運動相似性或能作為破解這類關系的重要線索。

　　2000年立項，13年後才正式啟動的蓋亞任務耗資約8.44億美元，正是為了填補這些空白而生。蓋亞探測器的繞日軌道略大于地球的繞日軌道，它可以從不同的位置捕捉同一顆恒星的信息。由此一來，天文學家就能通過“恒星視差”來計算恒星距離，恒星視差是指觀測對象的視位随觀測位置變化而發生的極小改變。歐洲航天局的“依巴谷”(Hipparcos)衛星曾在1989年-1993年運行期間收集過類似的視差數據，但蓋亞的測量精度要高100倍，靈敏度也更佳，足以讓人類窺見銀河系更深處的真容：在蓋亞所觀測的10億多顆恒星中，約99%的恒星距離從未得到測量。

　　蓋亞的計算任務十分艱巨，項目研究人員将探測器所捕捉到的每一顆恒星相對于其它每顆恒星的位置繪制成了詳細地圖。團隊在此基礎上測量得出了恒星看上去劃過天空的速度，即恒星的自行。通過測量恒星顔色的細微變化，天文學家就能大概知道天體沿衛星瞄準線靠近或遠離的速度。結合以上兩個測量數據，以及蓋亞計算出的恒星距離，就能得到恒星的完整三維運動信息。蓋亞能夠測量出它觀測到的最明亮的一批恒星的瞄準線運動，但地面望遠鏡能幫助觀測剩下的恒星。知道每顆恒星的位置以及它們運行的方向，研究人員就能快速梳理出銀河系的隐秘曆史。

　　以Helmi及其同事所研究的古老碰撞為例，他們發現一群恒星擁有共同起源的證據得到了位于美國新墨西哥州的地面望遠鏡“斯隆數字巡天”(Sloan Digital Sky Survey， SDSS)的進一步佐證，SDSS收集到的數據顯示，這些恒星的化學構成非常相似。團隊認為這些恒星都來自一個矮星系，并将這個矮星系取名為“蓋亞-恩克拉多斯”(Gaia-Enceladus)。在古希臘神話中，巨人恩克拉多斯是蓋亞的後代。

　　巧合的是，Belokurov和同事也從蓋亞2016年發布的首批數據中，找到了這次碰撞的證據。當時的數據并不包含自行數據，但通過将數據集中的恒星位置信息與SDSS十年前的觀測數據進行對比，團隊就能知道恒星在中間這段時間是如何移動的。他們發現有一群天體共同在偏離中心的軌道上運動，而這個軌道會把它們帶離銀心。

　　這些現象似乎都源于一次大碰撞事件。這些恒星顯然具有共同起源，因為它們的金屬含量非常類似。研究人員根據恒星速度繪圖後，發現形狀類似香腸，于是将這些恒星曾經的家園——這個古老的矮星系命名為“蓋亞香腸”(Gaia Sausage)。

　　對同一個矮星系的兩種叫法在天文界引起了混淆。但是無論如何稱呼這個“元兇”，這次古老合并可能是解開銀河系之謎的一個線索。銀盤由兩部分組成，一個是含有氣體、塵埃和年輕恒星的薄盤，就像奧利奧餅幹的夾心部分;其外部則是幾乎清一色由老星組成的厚盤。

　　天文學家一直在争辯究竟是先有厚盤，再有氣體和塵埃壓縮形成一個薄核;還是先有薄盤，再從薄盤的一部分膨脹擴大。由于這個“蓋亞-恩克拉多斯-香腸”矮星系在碰撞時隻比銀河系小一點，它很有可能曾給銀盤輸送了大量能量，使其升溫脹大。Helmi團隊将這一發現視為支持膨脹理論和銀河系曾經曆過劇烈變形的證據。

　　知識的井噴

　　讓研究人員深受震動的是，借助蓋亞提供的數據，此前難有突破的天文學研究正以前所未有的速度向前發展。哥倫比亞大學天文學家Kathryn Johnston猶記得就在蓋亞數據集披露後的第二天，一篇論文曾引起了熱議，論文指出太陽周圍約有600萬顆恒星整齊劃一地排成類似蝸牛殼的形狀進行螺旋式運動。

　　Johnston認為這種運動軌迹看起來像是小型衛星星系“人馬座”留下的指紋。每當人馬座快速靠近時，其引力就會對銀河系的恒星産生擾動，這種擾動會在銀盤中産生晃動并留下漣漪。研究人員此前對這種痕迹有過推測，但蓋亞數據集提供了清晰而有力的信号，證明人馬座的影響。“那對我來說是個不可多得的時刻，”Johnston說，“整個螺旋形狀非常清晰。看起來更像是一個理想化模拟的理論預測，而不是一個真實的數據圖。”

　　透過蓋亞的“眼睛”，這種擾動不僅顯而易見，還訴說着銀河系的另一段曆史。此前，大多數天文學家推測，雖然銀河系外暈曾與小衛星發生混亂的碰撞，但銀河系主體一直以來都較為平靜。科學家一直認為諸如旋臂和被認為穿過核球的恒星帶都是銀河系内在動力下的産物。但這些看似由人馬座引發的晃動顯示，外部力量對銀河系結構的影響超過此前天文學家的認識。

　　普林斯頓大學的天體物理學家Adrian Price-Whelan認為，蓋亞迫使研究人員不得不重新審視一些用于簡化模型的規範化假設。他說：“我們之前就知道有些假設是錯的，現在蓋亞讓我們知道錯在哪裡。”

　　繪制銀河系的陰暗面

　　為銀河系中的明亮天體繪制地圖或許還有助于搞懂暗物質，暗物質可能占到了銀河系質量的90%。理論學家懷疑銀河系外部有一個龐大的近球形暗物質暈，和普通物質一樣，這些暗物質在引力作用下聚集成了較小的結構。宇宙學模拟顯示，有成千上萬個大型暗物質團繞着銀河系轉動，有的會被中央的暗物質團吞噬，整個過程類似于銀河系吞噬其它可見小衛星的過程。

　　大部分暗物質子結構被認為隻包含少量恒星或沒有恒星，因而極難被探測到。但蓋亞可能在GD-1中發現了一些蛛絲馬迹，GD-1是2006年發現的占據一半北部天空的長星流。這個星流已被研究過很多次，但蓋亞讓Price-Whelan和哈佛-史密松森天體物理中心的天文學家Ana Bonaca更加有信心地找到了星流的真正成員。去年11月，他們與其他兩位同事确定了GD-1的結構特征，他們發現該星流有一個很大的缺口，可能是約5億年前與一個大型天體碰撞後留下的傷痕。當這一假設的幹擾天體加速穿過星流時，其引力對一些恒星的牽扯可能導緻星流分離，使得這些恒星跑到了同伴的前頭。

　　Bonaca認為最有可能的罪魁禍首可能是一個緻密的暗物質團，這個暗物質團的質量約為太陽的100萬倍到1億倍。這一估算可能會對暗物質的物理建模産生重要影響。暗物質粒子的質量有助于判斷暗物質粒子的運動速度，反過來就能推算出它能形成的暗物質團的大小。Bonaca說這個擾動GD-1的暗物質團的潛在質量範圍很有意思，或将能排除一些質量較小的假設的暗物質候選者。

　　Bonaca和她的團隊希望能通過蓋亞的數據測定星流中受到擾動的恒星的速度，這樣或許能确定假設的暗物質團的移動軌道。他們如果能找到這個暗物質團如今所在的位置，就有可能探測出它對其它物質的引力作用。或者，通過現場訓練γ射線望遠鏡尋找暗物質粒子湮滅或衰變的證據——這類過程通常能釋放高能光子。無論使用哪種方法，都是對暗物質物理特性的一次更直接的探測。

　　但Price-Whelan仍表示從單一例子中無法推斷出太多信息。他希望利用蓋亞星表和未來觀測結果(如智利的大口徑全景巡天望遠鏡(LSST)将于2020年後開始收集數據)開展系統性研究，可以讓更多暗星和其他星流浮出水面。如果其他星流中也存在與暗物質團碰撞過留下的痕迹，天文學家就能對暗物質團的豐度和大小有更深入的認識，進而幫助确定暗物質的性質。

　　天文學家希望蓋亞收集的關于恒星運動的數據能幫他們勾勒出銀河系陰暗面的大緻輪廓。銀河系暗物質暈的球形或對稱性也各有差異，具體取決于形成暗物質暈的粒子類型。Belokurov相信在未來2-4年内，蓋亞收集的關于局域恒星軌道的信息足以讓科學家确定暗物質暈的總質量和形狀。

　　這類研究結果不僅僅能用于挖掘銀河系的曆史，有關銀河系曆史和暗物質分布的研究發現将被反過來填充宇宙學模型——用于探索宇宙大結構發展變化。目前，蓋亞任務已被批準延長至2020年底，荷蘭萊頓大學的天文學家Anthony Brown是蓋亞任務數據處理和分析聯盟主席，他認為蓋亞工作到2024年不是問題，也就是一共10年的服役期。他說，延長任務應可以讓蓋亞對當前追蹤的恒星的自行測量精度提高3倍，甚至還能帶來更遙遠的恒星的信息。

　　蓋亞的曆史功績尚待書寫，但所有迹象都顯示，那将是一項偉大的功績。SDSS等采集的全空探測數據，即使在使命完成10多年後，仍在産生源源不斷的新發現。随着蓋亞星表的不斷擴容和完善，Helmi 期待能進一步揭開銀河系的演化曆史。“最讓我激動是，”她說，“我們對銀河系曆史的了解才剛剛開始。”