參透銀河系前世今生

來自蓋亞的數據將帶領人們進一步探索銀河系的形成與演化。圖片來源：ESA/Gaia/DPAC

　　去年4月，天文學家迎來了一場“雙十一”。來自歐洲空間局（ESA）蓋亞項目組的第二批天文衛星數據正式發布，包括了數十億顆恒星的精確距離、位置和亮度。可謂有史以來最全面、最詳細的數據“禮包”。數據發布后，下載網頁訪問量激增，甚至一度出現了服務器擁堵。

　　如今這場狂歡還在持續，來自世界各地研究者的“買家秀”紛紛涌現，其中不乏許多有趣又極具意義的研究成果：有人發現了3億~5億年前一個系外星系如何與銀河系擦肩而過，產生的引力擾動至今還未完全消失；有的天文學家研究了100億年前，銀河系如何吞噬另一個星系，將其吸收為自身的一部分……

　　“我們先前對銀河系的認知正在改變。”英國劍橋大學天文學家Vasily Belokurov這樣評價蓋亞帶來的影響。

　　蓋亞標準

　　作為眾多恒星中的一員，太陽系坐落在銀河系非常邊緣的位置，在這里觀察橫亙夜空的巨大恒星帶，天文學家需要繪制出銀河系的結構。

　　在20世紀中葉，人們曾繪制出這樣一幅遼闊的圖像，并指出銀河系中央的凸起處分布著許多恒星，周圍是稀薄的光暈。之后，研究人員從暗物質、氣體和塵埃入手，推斷出這樣的結構如何在數十億年間形成：那些可見的部分塌縮成一個盤狀結構，吞噬較小的星系后膨脹。天文學家用望遠鏡反復拍攝整個星空，補充了不少細節，但也只能得到恒星靜止的位置和亮度。

　　由于地球存在大氣層等因素，基于地面的觀測很難知道恒星在三維空間里是如何運動的。于2000年獲批并在2013年飛向太空的探測器蓋亞旨在解決這些問題，并計劃帶回銀河系中10億顆恒星的距離和運動參數，這當中約有99.99%的恒星從未被精確測定過。

　　中科院上海天文臺研究員Martin·C·Smith給《中國科學報》打了個比方：“這就像我們先前的研究是依據靜止的圖像，而蓋亞提供的數據把這些靜態的圖像變成了一部信息量超大的3D電影。我們能更直觀地了解恒星在太空中是怎樣運動的，以及知道它們到底離我們有多遠。”

　　與ESA先前發射的依巴古（Hipparcos）衛星相比，蓋亞精度更高，也更敏感，能探測到銀河系中較暗的恒星甚至銀河系外的天體。“這些觀測數據體量非常龐大，超過了目前人類對銀河系恒星觀測的總量。”中國科學院國家天文臺研究員劉超告訴《中國科學報》，他此前曾參與過蓋亞項目中恒星物理參數的提取工作。

　　若想獲得星系中恒星的絕對坐標，得先建立精確的坐標網格。“蓋亞項目建立了這樣一個天體測量的參考框架，就像是給了研究者一把尺子，這樣就能測量出恒星的絕對位置。”劉超表示。

　　蓋亞的貢獻不止于此。10億顆恒星的位置、距離和速度等參數能建立起一個銀河系的動態模型，有了如此多的樣本，人們對銀河系怎樣運動、演化也會有更清晰的認知。

　　銀河系考古

　　去年4月第二批數據一發布，就有科學家整理了蓋亞探測器上天以來的所有觀測記錄，復原出迄今為止最完整、詳細的銀河系及鄰近星系的“地圖”。

　　當然，這些數據帶來了更多令人激動的研究結果。不少研究團隊在拿到數據后都在加班加點，對數據進行梳理和分析。荷蘭格羅寧根大學卡普田天文研究所的天文學家Amina Helmi和同事也不例外。

　　銀河系可分為內外兩個星盤，前者較小較薄，后者更大更厚。關于外盤的形成演化過程，研究者說法不一。去年10月，Helmi等人在《自然》雜志發表的一項研究表明：年輕的銀河系曾與另一個巨大星系發生碰撞，并因此產生了巨大的形狀變化。

　　基于蓋亞項目公布的700萬顆恒星的位置及運動參數，Helmi等人發現其中有相當數量的恒星（約3萬顆）在“逆向漂流”，它們的運行軌道跟銀河系其他恒星不同。進而發現這些恒星并非銀河系“親生”，研究者將這些星系的家園命名為蓋亞—恩克拉多斯（GE）。

　　GE與銀河系重重撞擊之后，后者的恒星被沖散，沖擊產生的擾動讓其內部產生了扭曲，這也是銀河系演化成為人們熟知的螺旋形狀之前發生的最后一次大碰撞。

　　還有研究者從蓋亞公布的數據中發現了大量恒星運動的速度和方向有異常，進而讓銀河系發生了變化。不過這些異常發生于大約3億年前，仿佛是銀河系的昨日。

　　去年9月，西班牙巴塞羅那大學宇宙科學研究所研究員Teresa Antoja與同事在《自然》公布了一項研究。他們發現，在大約幾億年前，銀河系曾與一個矮星系“親密接觸”，并因此受到較大的引力干擾。

　　Antoja等人根據蓋亞提供的600萬顆恒星的速度及位置數據，發現這一體量較小的星系在路過銀河系時撞上了后者的銀盤，其引力產生的擾動如同一顆石子投入了池塘，波紋蕩漾的影響持續至今。

　　空間探測新時代

　　基于蓋亞項目提供的觀測數據，這些意義重大的研究能在更短的時間內被發現，而人們先前進行的各項假設，也可以通過銀河系中一個個精確的坐標驗證正確與否。

　　預計到2020年，蓋亞將發布第三批探測數據。不過這并不意味著此前基于地面的天文觀測沒了用武之地。

　　“蓋亞的數據并不能解答一切，比如恒星究竟是在向地球飛來還是遠去、恒星的化學成分是什么，這些要看恒星的光譜才能知道，”Smith表示，“所以我們也需要來自地面的觀測數據。”

　　Helmi與同事的研究就用到了來自美國新墨西哥州阿帕奇天文臺的斯隆數字巡天（SDSS）觀測數據，確認了那些運動軌跡異于其他恒星的星群擁有類似的化學成分，從而證明其來自銀河系外。

　　蓋亞地面的“幫手”還包括光譜學調查，利用位于智利帕瑞納天文臺的極大型光學望遠鏡，觀測到數十萬顆恒星的徑向速度和化學成分。

　　同樣作出貢獻的還有中國的郭守敬望遠鏡LAMOST，如果說蓋亞的強項是提供大量恒星的“絕對坐標”，那么6年前正式投入使用的LAMOST則能提供近千萬顆恒星的光譜。太空衛星與地面望遠鏡的數據相互補充、校驗，能進一步加速人類對銀河系的探索。

　　“未來，我們還將把蓋亞和LAMOST的數據結合起來，進一步研究銀河系星盤的演化過程，搞清楚我們周圍的這些恒星源自何處。”Smith表示。