银河系的星星里，一段暴力史 | 广达杂志

5 年 1923 月 XNUMX 日深夜，埃德温·哈勃坐在威尔逊山天文台胡克望远镜的目镜前，俯瞰着洛杉矶盆地的山顶。 他正在观察北方天空中的一个物体。 对于肉眼来说，它是一个微弱的污迹。 但通过望远镜，它锐化成一个明亮的椭圆形，称为仙女座星云。 为了解决有关银河系（当时被认为是整个宇宙）大小的争论，哈勃需要确定仙女座星系与我们的距离。

在望远镜的视野中，仙女座是一个巨人。 哈勃耐心地用许多玻璃照相底片拍摄了多次曝光，并在6月45日凌晨，他在一个小玻璃底片上进行了XNUMX分钟的曝光，并在他看到三颗新星或新星的地方潦草写下了“N”。 但当他将自己的图像与其他天文学家拍摄的照片进行比较时，他意识到他的一颗新新星实际上是一颗造父变星——一种可用于测量天文距离的恒星。

他划掉一个“N”并写下“VAR！”

哈勃利用这颗脉动恒星计算出仙女座星系距地球 1 万光年，这个距离远大于银河系的直径（他的计算略有偏差；仙女座星系距离地球约 2.5 万光年）。 他意识到仙女座不仅仅是星云，而是一个完整的“岛屿宇宙”——一个与我们自己的星系截然不同的星系。

随着宇宙分裂成一个家园星系和一个更大的宇宙，对我们有限家园的研究——以及它如何在宇宙中存在——可以认真开始。 一个世纪后的今天，天文学家仍在对我们唯一居住的宇宙岛屿做出意想不到的发现。 他们也许能够通过重新想象银河系在早期宇宙中如何形成和生长、仔细检查其不均匀的形状以及研究其形成行星的能力来解释银河系的一些特征。 过去四年积累的最新成果正在将我们的家描绘成在一个独特的时间、一个独特的地方。

我们似乎很幸运，生活在一颗特别安静的恒星附近，位于一个中年的、奇怪倾斜的、松散螺旋星系的平静边缘，这个星系在其存在的大部分时间里基本上都是孤独的。

我们的岛屿宇宙

从地球表面看——如果你在一个非常黑暗的地方——你只能看到银河系盘面的明亮条纹，边缘朝上。 但我们生活的星系要复杂得多。

一个超大质量黑洞在其中心翻腾，周围环绕着“核球”，这是一个包含银河系最古老恒星居民的恒星结。 接下来是“薄盘”——我们可以看到的结构——银河系的大部分恒星，包括太阳，都被分割成巨大的旋臂。 薄盘被包裹在更宽的“厚盘”中，其中包含更分散的老恒星。 最后，一个大致呈球形的光环围绕着这些结构； 它主要由暗物质组成，但也包含恒星和弥漫的热气体。

为了绘制这些结构的地图，天文学家转向单个恒星。 每颗恒星的成分都记录了它的出生地、年龄和出生成分，因此研究星光可以实现某种形式的银河制图——以及谱系学。 通过将恒星定位在时间和地点，天文学家可以追溯历史并推断出银河系是如何在数十亿年的时间里一点一点形成的。

研究原始银河系形成的第一个重大努力开始于 1960 世纪 XNUMX 年代，当时奥林·埃根 (Olin Eggen)、唐纳德·林登·贝尔 (Donald Lynden-Bell) 和埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) 的前研究生艾伦·桑德奇 (Alan Sandage) 认为，银河系是由旋转的气体云塌陷的。 此后很长一段时间里，天文学家认为银河系中出现的第一个结构是光晕，随后是明亮、致密的恒星盘。 随着更强大的望远镜上线，天文学家绘制了越来越精确的地图，并开始完善他们关于星系如何聚集在一起的想法。

2016 年，当欧洲航天局盖亚卫星的第一批数据返回地球时，一切都发生了变化。 盖亚精确测量整个银河系数百万颗恒星的路径，使天文学家能够了解这些恒星的位置、它们如何在太空中移动以及它们的移动速度。 借助盖亚，天文学家可以描绘出一幅更清晰的银河系图景，其中揭示了许多惊喜。

这个核球不是球形的，而是花生形的，它是横跨我们银河系中部的一个更大的条带的一部分。 星系本身就像破旧的牛仔帽的边缘一样扭曲。 厚圆盘也呈喇叭形，向边缘逐渐变厚，并且它可能是在光环之前形成的。 天文学家甚至不确定银河系到底有多少个旋臂。

我们岛屿宇宙的地图并不像以前看起来那么整齐。 也不那么平静。

“如果你看一张传统的银河系图片，你会看到这个漂亮的球形光环和一个看起来很规则的圆盘，一切都有点固定和静止。 但我们现在知道的是，这个星系处于不平衡状态。” 查理·康罗伊哈佛-史密森天体物理中心的天文学家。 “这种简单而井然有序的图片在过去几年里已经被抛弃了。”

银河系的新地图

埃德温·哈勃意识到仙女座星系本身就是一个星系三年后，他和其他天文学家正忙于对数百个岛屿宇宙进行成像和分类。 这些星系似乎以几种常见的形状和大小存在，因此哈勃开发了一种称为音叉图的基本分类方案：它将星系分为两类：椭圆形和螺旋形。

天文学家仍然使用这种方案对星系进行分类，包括我们的星系。 目前，银河系是一个螺旋，旋臂是恒星（以及行星）的主要温床。 半个世纪以来，天文学家认为有四个主要旋臂——人马座旋臂、猎户座旋臂、英仙座旋臂和天鹅座旋臂（我们生活在一个较小的分支中，被毫无想象力地称为本地旋臂）。 但对超巨星和其他天体的新测量绘制了一幅不同的图景，天文学家不再就旋臂的数量或其大小，甚至我们的星系是否是岛屿中的一个奇怪的物体达成一致。

“引人注目的是，几乎没有外部星系存在从中心延伸到外部区域的四个螺旋，” 徐野中国紫金山天文台的天文学家在一封电子邮件中说道。

为了追踪银河系的旋臂，叶和同事使用盖亚和地面射电望远镜寻找年轻的恒星。 他们发现，与其他螺旋星系一样，银河系只有两条主旋臂：英仙座和诺玛。 几个长的、不规则的旋臂也缠绕在其核心上，包括半人马座旋臂、人马座旋臂、船底座旋臂、外旋臂和本地旋臂。 看来，至少在形状上，银河系可能比天文学家想象的更类似于遥远的宇宙岛屿。

“研究螺旋状银河系可能会揭示它在可观测宇宙中数十亿个星系中是否是独一无二的，”叶写道。

宇宙海岸

哈勃对仙女座及其变星的研究源于他与威尔逊山另一位著名天文学家哈洛·沙普利的激烈竞争。 哈佛大学天文学家亨利埃塔·斯旺·莱维特 (Henrietta Swan Leavitt) 率先使用造父变星来测量距离，沙普利利用她的方法计算出银河系的直径为 300,000 光年——这在 1919 年是一个令人震惊的说法，当时大多数天文学家认为太阳是位于银河系的中心，整个银河系横跨3,000光年。 因此，沙普利坚持认为其他“螺旋星云”一定是气体云，而不是独立的星系，因为它们的大小意味着它们距离我们难以置信的远。

哈勃随后写下了他的变星测量结果，并让所有人相信仙女座确实是一个独立的星系。 据报道，沙普利在看到哈勃的数据后说道：“这是一封摧毁了我的宇宙的信。”

然而，就天文距离而言，沙普利可能并没有那么遥远。 在随后的一个世纪里，天文学家计算出银河系的核球直径约为 12,000 光年，银河系的圆盘跨度为 120,000 光年，暗物质和古代星团的光环在 XNUMX 年延伸了数十万光年。每个方向。

最近的观察 发现一些光环恒星分散在远达 1 万光年之外的地方——仙女座星系的一半——这表明光环以及银河系本身并不完全是一个岛屿宇宙。

天文学家领导 杰西·汉哈佛-史密森天体物理中心的研究生最近确定，恒星光环并不像人们长期以来认为的那样是球形的，而是形状像一个足球。 工作中 14月XNUMX日发布Han和他的团队还表明，暗物质晕可能倾斜约25度，导致整个星系看起来扭曲。

虽然这看起来很奇怪，但倾斜本身可能就是银河系暴力过去的证据。

银河系的骚乱

在哈勃望远镜出现之前的亿万年里，早在太阳诞生之前，早在银河系存在之前，大爆炸就撕裂了所有物质，并将其无差别地散布到新生的宇宙中。 第一个星系最终由一些随机碎屑形成，开始了一个长达 13 亿年的序列，最终导致了我们的诞生。 天文学家对这些事件如何展开的复杂性争论不休，但他们知道我们现在居住的星系是通过一个复杂的过程成长起来的，其中包括合并和收购。

在整个宇宙中，星系碰撞并合并，造成难以想象的巨大灾难。 以埃德温·哈勃命名的望远镜捕捉到了这些宇宙连环事件 每时每刻。 尽管今天相对平静，银河系也不例外：通过筛选恒星、气体流、所谓的由数千到数百万颗恒星组成的球状星团，甚至被吞噬的矮星系的阴影所保存的考古记录，科学家们正在更多地了解银河系是如何演化的。

200 年，当天文学家通过帕洛马天文台著名的 1992 英寸望远镜（哈勃第一个使用该望远镜）发现银河系正在撕裂其光环中的一些球状星团时，出现了第一个暴力迹象。 斯隆数字巡天证实了这一观测，射电望远镜后来发现该星系也在吸入 附近的气体流.

到 2018 年中期，天文学家认为银河系在其一生中曾与一些小星系合并，但其中大多数都是小事件。 10亿年前最近最大规模的合并被认为涉及人马座矮椭圆星系，它为银河系的恒星晕提供了气体流和恒星群。 但直到 2018 年盖亚卫星发布第二个数据集之前，天文学家才完全了解这些物体。

当天文学家仔细研究大约十亿颗恒星的详细运动和位置时，星系中出现重大扰动的迹象出现了——他们在光环中看到了星系残骸。 在那里，一些恒星以极端的角度运行，并且具有与其他恒星不同的成分，这表明它们起源于其他地方。

天文学家将这些奇怪的恒星视为银河系与另一个星系之间发生巨大碰撞的证据。 这次合并可能发生在 8 亿至 11 亿年前，它将灾难性地扰乱年轻的银河系，将另一个星系撕成碎片，并引发新恒星形成的风暴。

碰撞星系的残骸现在被称为盖亚-香肠-土卫二，这是两个团队独立发现合并残骸的结果。 一个团队以希腊神盖亚（地球和所有生命的原始母亲）和她的儿子土卫二的名字命名它。 另一个人注意到剩下的东西看起来像香肠。 （一些天文学家 争议 传入的星系是唯一参与其中的星系，这表明在较长时间内发生的许多较小的碰撞可能导致了我们现在看到的结构。）

这次合并改变了一切：银河系的光环、内部核球和扁平的盘面。

现在，天文学家正在使用各种工具来了解盖亚-香肠-土卫二堆积的时间以及婴儿银河系是如何成长的。

在三月2022， 茂盛乡茂盛乡 和 汉斯·沃尔特·里克斯 马克斯·普朗克天文学研究所首先定义了银河系 1.0，即在任何合并之前就存在的原始星系。 他们用古老的方法做到了这一点 次巨星 它们比太阳还小，并且已经耗尽了氢燃料，现在正在变得臃肿。 亚巨星的亮度与其年龄相对应，它的光可以作为其诞生物质的指纹。 当Xiang和Rix利用这些线索来推断13万颗亚巨星的迁移历史时，他们发现厚厚的圆盘形成的时间比星系形成理论中预期的要早——XNUMX亿年前，大爆炸后几乎一眨眼的时间。

流行的宇宙学理论认为，在大爆炸之后，这种大型、明确的结构应该需要更长的时间才能形成。 然而他们 不断涌现 在詹姆斯·韦伯太空望远镜对遥远星系的观测中，说 迷迭香怀斯约翰·霍普金斯大学天体物理学家。

“你可以将我们认为的银河系形成方式与 JWST 所看到的联系起来。 我们能否对星系的形成有一个清晰的认识？ 我们的银河系是典型的吗？” 她说。

翔和里克斯发现，厚盘可能在主合并之前就已经存在，但薄盘与盖亚-香肠-土卫二的到来同时发生。 这种产生不同恒星盘的双管齐下的组装过程可能很常见，并且对于激发恒星的形成至关重要。 自那次狂热以来，出生率一直在下降，但银河系每年仍然会产生大约 10 到 20 颗新恒星。

陆玉熙刚刚从哥伦比亚大学搬到美国自然历史博物馆的他想了解银盘的历史以及它如何随着时间的推移而变化。 为此，她研究了恒星一生中的化学变化如何帮助确定它们的诞生地点。 她专注于类似的浮肿的亚巨星，在新的、未发表的工作中，她发现富含金属的亚巨星——那些含有大量比氦重的元素的亚巨星——在盖亚-香肠-土卫二合并时开始认真生长， 11亿至8亿年前。

盖亚-香肠-土卫二的证据仍在不断堆积。 但天文学家仍然不明白的是，为什么自那以后一切就一直平静下来。 卢说，银河系的化学历史和结构历史似乎不典型。

例如，仙女座星系的历史比银河系更加暴力。 怀斯说，考虑到其他星系的历史和流行的宇宙学模型（认为星系是通过相互碰撞而成长的），我们的星系长期处于孤独状态是很奇怪的。 “合并历史和组装历史都是不同寻常的。 我们在宇宙中是否真的不寻常……我想说这仍然是一个悬而未决的问题，”她说。

新岛的诞生

就在天文学家拼凑出银河系的过去时，其他人正在研究银河系的邻近地区如何像城市和郊区一样彼此不同——这种可能性提出了行星（也许还有生命）如何在整个银河系中分布的问题。

在这里，围绕本臂上的一颗特定恒星，八颗行星围绕太阳形成——四颗是岩石行星，四颗是气态行星。 但其他武器可能有所不同。 这些环境可能会产生不同的恒星和行星种群，就像特殊的动植物群在具有不同生物圈的大陆上进化一样。

“也许生命只能在非常安静的星系中出现。 也许生命只能在一颗非常安静的恒星周围出现。” 杰西·克里斯蒂安森是加州理工学院的天文学家，研究银河系状况及其对行星形成的影响。 “这个统计样本太难了； [关于我们银河系的]任何事情都可能很重要，或者什么都不重要。”

埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) 潦草地写下“VAR！”一个世纪后在玻璃板上，JWST 视野中的星系全貌正在改变我们对宇宙以及我们在宇宙中的位置的了解。 正如我们可以利用银河系作为天体物理观测站来了解更广阔的宇宙一样，我们也可以利用更广阔的宇宙及其数十亿个星系来了解我们的家园以及我们是如何形成的。

天文学家继续借鉴哈勃的剧本，仔细研究仙女座星系，即北方天空中微弱的椭圆体。 正如盖亚在离家较近的地方所做的那样，基特峰国家天文台的暗能量光谱仪器将测量仙女座中的单个恒星，并仔细检查它们的运动、年龄和化学丰度。 Wyse 还计划使用莫纳克亚山的斯巴鲁望远镜研究邻近星系中的单个恒星。

这样做将为仙女座星系的过去提供一个新的视角，并为我们自己的星系提供新的比较。 它还将让我们隐约看到遥远的未来。 我们的星系最终将摧毁附近的两个小星系，即大麦哲伦星云和小麦哲伦星云，它们正在向我们的方向尖叫着穿过太空。 我们的银河系已经开始消化它们。

“如果我们在十亿年后观察这一切，事情看起来会更加混乱，”康罗伊说。 “我们恰好处于事情相对平静的时期。”

接下来，仙女座也将加入我们的行列。 横跨埃德温·哈勃玻璃板的星系将不再是一个岛屿宇宙。 仙女座星系和银河系将螺旋向彼此靠近，它们的恒星光环一起旋转。 在难以理解的时间尺度上，这些圆盘也会结合在一起，加热冷气体并使其凝结并点燃新的恒星。 在接下来建造的任何结构的边缘，新的太阳都会出现，随之而来的是新的行星。 但现在，在我们所知道的唯一星系的本臂上，一切都很安静。