□ 編譯/ 謝 懿

“厚”此“薄”彼的銀河系

□ 編譯/ 謝 懿

研究銀河系垂直結(jié)構(gòu)，天文學(xué)家正在梳理我們所在的這個(gè)星系是如何演化的。

2微米全天巡視揭示出了銀河系從側(cè)向看的樣子。圖像中可以清晰地看到包含銀河系中絕大多數(shù)氣體和塵埃的薄盤以及厚盤和中央核球。此外，還能在右下角看到銀河系的2個(gè)衛(wèi)星系：大、小麥哲倫云。版權(quán)：2MASS/IPAC/CALTECH。

沉浸在銀河淡淡的光輝之下，讓人很難認(rèn)識(shí)到地球其實(shí)只是這個(gè)宇宙中最大的旋渦星系之一里面極其微小的一部分，而時(shí)至今日天文學(xué)家才開始對(duì)我們所在的這個(gè)星系有了全面的了解。通常，我們?cè)诮炭茣蛘邥s志上所看到的都是有著宏象旋渦結(jié)構(gòu)的銀河系正面圖。然后，為了真正了解它到底是如何形成和演化的，你需要了解唯有從側(cè)向才能直接看到的銀河系垂直結(jié)構(gòu)。

這無疑是很難做到的，因?yàn)槲覀兊奶栂稻拖褚粋€(gè)被咬鉤的魚漂，會(huì)在銀河系的薄盤中上下振動(dòng)。幸運(yùn)的是，我們距離銀河系中心足夠遠(yuǎn)，可以看到北銀極和南銀極，還可以看到銀河系垂直結(jié)構(gòu)外邊緣的深處。

宇宙微波背景輻射的影像可以幫助我們。美國宇航局的宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星首次詳細(xì)地勘測(cè)了這些輻射，而美國宇航局威爾金森微波各向異性探測(cè)器和歐洲空間局的普朗克衛(wèi)星則做得更加出色。它們所觀測(cè)到的銀河系前景塵埃圖像給了天文學(xué)家們相當(dāng)不錯(cuò)的銀河系側(cè)向視角。

那么，從側(cè)向上看去，類似于銀河系的星系會(huì)是什么樣子呢？就目前所知，你看到的絕大部分會(huì)是一個(gè)由恒星所組成的薄盤。

在過去的十年中，斯隆數(shù)字巡天（SDSS）一直是研究銀河系垂直結(jié)構(gòu)演化的主要觀測(cè)工具。但是，為了測(cè)量這一結(jié)構(gòu)是如何隨著時(shí)間而演化的，天文學(xué)家還必須要能測(cè)量出遙遠(yuǎn)恒星的年齡、化學(xué)成分和運(yùn)動(dòng)情況。

有了類似SDSS這樣全面的地面大視場(chǎng)巡天項(xiàng)目，天文學(xué)家已不得不修改他們的理論架構(gòu)，以此來應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜得多的銀盤結(jié)構(gòu)。這反過來也迫使理論家們來完善天文學(xué)家沃爾特·巴德（Walter Baade）于1944年所提出的經(jīng)典觀點(diǎn)，即從廣義上講銀河系是由2類恒星組成：星族Ⅰ和星族Ⅱ。星族Ⅰ恒星位于銀盤中，那里也是太陽所在的地方，它們都比較年輕且富含金屬——在天文學(xué)中，把比氫和氦更重的所有元素統(tǒng)稱為金屬。星族Ⅱ是更為年老的貧金屬恒星，通常位于銀河系的暈中。

從遠(yuǎn)處正向看去，銀河系可能和照片中的星系UGC 12518十分相似。這個(gè)棒旋星系直徑140 000光年，位于飛馬座中，距離我們約4億光年。版權(quán)：ESA/HUBBLE/NASA。

然而，就在整個(gè)銀河系天文學(xué)界為歐洲空間局的“蓋亞”衛(wèi)星釋放其第一批數(shù)據(jù)而興奮不已時(shí)，有一件事情是可以肯定的——目前的銀河系垂直結(jié)構(gòu)模型將會(huì)變得更加復(fù)雜。通過跟蹤不同類型恒星在垂直結(jié)構(gòu)上的差異，理論家可以從原則上勾勒出銀河系隨著時(shí)間必須該如何演化。

銀河系中絕大部分的恒星要么位于銀盤中，要么位于核球中，和它們形成時(shí)的情況保持一致。太陽目前仍在其出生時(shí)所在的同一條近圓軌道上繞銀河系中心轉(zhuǎn)動(dòng)。

三盤鼎立

如天文學(xué)家所觀測(cè)到的，在可見光波段上，一個(gè)由年輕恒星形成區(qū)、塵埃和氣體所組成的薄盤占據(jù)了銀河系的主導(dǎo)。正是這個(gè)厚度僅約300光年的年輕薄盤包含了所有會(huì)誕出新生恒星的分子云。

在這個(gè)薄盤的中心有一個(gè)占據(jù)主導(dǎo)地位的棒狀結(jié)構(gòu)，從這個(gè)棒的端點(diǎn)延伸出了3或4條旋臂。不過，包括太陽在內(nèi)，銀河系中的大多數(shù)恒星則位于一個(gè)更為年老的薄盤上，它的厚度約為1 000光年。

這是一個(gè)難題。因?yàn)樾窍敌纬傻臉?biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，在銀河系的幼年時(shí)期其他星系與銀河系的并合過程應(yīng)該會(huì)破壞這個(gè)薄盤。然而，所有的大型旋渦星系似乎都擁有稍厚的年老薄盤，所以關(guān)于這個(gè)問題天文學(xué)家還有很多需要研究的內(nèi)容。

銀河系的厚盤約有3 000光年厚，包含有比薄盤中更年老以及重元素豐度更低的恒星。在它的中心是人馬A*，一個(gè)目前基本上處于寧靜態(tài)的超大質(zhì)量黑洞，但在銀河系歷史的早期它很有可能是一個(gè)活動(dòng)星系核。

銀河系已經(jīng)開啟了對(duì)大麥哲倫云的瓦解和吸積過程。事實(shí)上，銀河系正是通過吞食與大麥哲倫云類似的小型星系來生長(zhǎng)和演化的。版權(quán)：C. SMITH/S. POINTS/THE MCELS TEAM/NOAO/AURA/NSF。

最后，整個(gè)銀河系的內(nèi)部區(qū)域?yàn)殂y暈所包裹。銀暈不具有自轉(zhuǎn)，但卻擁有銀河系中最古老、最貧金屬的恒星。在銀河系的外暈中含有約100個(gè)小型衛(wèi)星星系，包括南天的大、小麥哲倫云和正在被銀河系的潮汐力瓦解的其他星系。

在所有這一切銀河系結(jié)構(gòu)之外的是一個(gè)巨大的暗物質(zhì)暈。暗物質(zhì)仍是一種神秘的物質(zhì)形式，它們只通過引力與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。除了它的引力作用之外，這個(gè)近似球形的暗物質(zhì)暈無跡可尋。它的直徑約為600 000光年，是可見銀河系直徑的4倍，質(zhì)量達(dá)太陽的1萬億倍。

構(gòu)建一個(gè)星系

所有這些結(jié)構(gòu)是如何形成的？有關(guān)銀河系形成的第一個(gè)現(xiàn)代理論可以追溯到1962年由奧林·埃根（Olin Eggen）、戴維·林登-貝爾（David Lynden-Bell）和阿蘭·桑德奇（Allan Sandage）所發(fā)表的一篇論文。他們提出了一個(gè)模型，認(rèn)為銀河系始于一團(tuán)巨大的原星系氣體，后者冷卻進(jìn)而形成恒星。幾十年后，這個(gè)想法開始遇到了問題。這個(gè)模型無法解釋與太陽反向繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)的恒星。在一團(tuán)一切都以同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)的坍縮氣體云中，要如何才能形成這樣的一顆逆行恒星呢？

做不到。天文學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為，銀河系是通過等級(jí)式地與矮星系、暗物質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)和暗物質(zhì)暈不斷并合而形成的。在本星系群中存在的原初氣體云可能彼此間就存在著吸積和并合的過程。這意味著銀河系是自內(nèi)而外形成的。隨著銀河系吸積的物質(zhì)越來越多，銀盤也會(huì)向外生長(zhǎng)。但是，如果這個(gè)等級(jí)式模型是正確的，那么銀河系應(yīng)該仍然在吸積大量的微小衛(wèi)星星系——至少要比現(xiàn)在所觀測(cè)到的要多。所以，等級(jí)式模型是否也存在根本性的問題呢？

事實(shí)上，早期星系的形狀并不規(guī)則，正在吸積小型星系和暗物質(zhì)，這些暗物質(zhì)中有一些來自于原星系，有的則是沿著暗物質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)流入進(jìn)來的。這個(gè)過程很快就會(huì)形成早期的暈族恒星，不久之后還會(huì)形成一個(gè)巨大的擁有大量氣體和恒星形成的盤。

約100億年前，一個(gè)質(zhì)量與大麥哲倫云相當(dāng)?shù)男l(wèi)星星系一頭栽入了銀河系中，造就了銀河系的厚盤。恒星形成區(qū)域隨后安定下來，形成一個(gè)厚約300光年的巨大薄盤。之后，始于約80億年前，隨著恒星向外擴(kuò)散，這個(gè)盤開始“發(fā)?！保穸冗_(dá)到了約1 000光年。

10億年之后，厚盤停止生長(zhǎng)。在這個(gè)盤中迅速地形成了旋渦結(jié)構(gòu)，多條旋臂出現(xiàn)了然后又消亡，內(nèi)部的棒結(jié)構(gòu)也在生長(zhǎng)并且在垂直方向發(fā)生彎曲。

不斷增厚

不過，由于下落的物質(zhì)在不斷地影響銀河系，因此更好地了解銀河系和附近環(huán)境的相互作用就顯得至關(guān)重要。事實(shí)上，矮星系和高速云正在不間斷地掉入銀暈中。這些仍然在被吸積的天體中包含有矮星系（例如，人馬矮橢球星系）、暗物質(zhì)云以及普通的氣體云。

暗物質(zhì)暈率先形成，然后氣體會(huì)被聚集到其中，冷卻形成氣體盤。這個(gè)氣體盤的某些部分會(huì)變得不穩(wěn)定，坍縮并最終形成新的恒星。這個(gè)氣體盤可能形成于100億～120億年前，時(shí)至今日仍在產(chǎn)星。

這與觀測(cè)到的恒星形成時(shí)間相一致。大多數(shù)恒星都位于薄盤中，而薄盤則嵌在厚盤內(nèi)。但厚盤中的恒星相對(duì)于銀河系平面有著較大的高度，它們的年齡都達(dá)到了80億～90億年。

通過與旋臂中物質(zhì)或者與大質(zhì)量分子云——它也是恒星誕生的地方——交會(huì)，恒星會(huì)被朝不同方向散射。其結(jié)果是，恒星的分布會(huì)變得越來越雜亂無章。

于是，垂直結(jié)構(gòu)演化的圖像是這樣的：年齡為100億年的恒星都誕生于一個(gè)厚的氣體層中。隨著時(shí)間，這個(gè)氣體逐漸變薄，新生的恒星也由此分布在厚度越來越小的薄層中，直到今天我們所見的氣體層已經(jīng)非常薄了。

在銀河系、仙女星系以及其他近鄰的大質(zhì)量星系的暈中都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了星流。它們起源自被瓦解的矮星系或球狀星團(tuán)，為星系的等級(jí)式形成提供了堅(jiān)實(shí)的證據(jù)。根據(jù)星流的軌道可以限制銀河系引力勢(shì)的形狀。利用斯隆數(shù)字巡天的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家繪制出了南天和北天可見的星流。版權(quán)：SDSS DR8/Bonaca, Giguere, Geha。

但是，目前來自衛(wèi)星星系的恒星物質(zhì)和氣體流入量加起來也并不多。厚盤的質(zhì)量占銀河系總質(zhì)量的十分之一，掉落進(jìn)銀河系的衛(wèi)星星系會(huì)被撕扯出星流，但與厚盤的總質(zhì)量相比，把它們都加起來也沒多少。

人馬矮橢球星系就是一個(gè)很好的例子。該星系中的恒星形成過程貫穿其一生，但在30億年之前它才開始在銀河系的潮汐力下被撕扯開。年老星流已經(jīng)被拉扯得很開也很稀薄，因此無法觀測(cè)到。

為了精調(diào)模型，天文學(xué)家們需要恒星的多維數(shù)據(jù)，由此不僅能夠知道恒星精確的3維位置和運(yùn)動(dòng)，而且還能了解它們的化學(xué)成分。這些信息必須要能覆蓋遍布于銀河系盤和旋臂中的恒星。只有有了這些觀測(cè)數(shù)據(jù)，才能確定銀河系的結(jié)構(gòu)是如何隨著時(shí)間生長(zhǎng)和演化的。

恒星的化學(xué)標(biāo)記不僅能告訴你恒星所在的位置，還能告訴你它和其他哪些恒星有關(guān)聯(lián)以及它們是如何運(yùn)動(dòng)的，又正在去向哪里。天文學(xué)家的目標(biāo)是根據(jù)多維數(shù)據(jù)——包括恒星大氣中不同元素的相對(duì)豐度——來搞清楚這些恒星來自何處。

探測(cè)旋渦結(jié)構(gòu)

半人馬ω是一個(gè)大質(zhì)量的球狀星團(tuán)，它很有可能是在很久以前被銀河系所瓦解的一個(gè)矮星系所殘留下的核心。版權(quán)：ESO/INAF-VST/OMEGACAM。

事實(shí)上，由于我們身處一條旋臂之中，因此從這個(gè)視角去追蹤銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)是一個(gè)無比艱巨的任務(wù)。不過，最近天文學(xué)家取得了突破性的進(jìn)展。利用美國宇航局大視場(chǎng)紅外巡天探測(cè)器的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家跟蹤了約400個(gè)內(nèi)埋星團(tuán)。其中大部分位于英仙旋臂中，距離銀河系中心約30 000光年。

由于大多數(shù)新發(fā)現(xiàn)的星團(tuán)都是內(nèi)埋星團(tuán)，它們還沒有足夠的時(shí)間運(yùn)動(dòng)到遠(yuǎn)離其出生地的地方，因此用它們可以來示蹤銀河系的旋臂。有關(guān)的分析結(jié)果支持了銀河系有4條旋臂的結(jié)構(gòu)。

讓天文學(xué)家大吃一驚的是，他們?cè)诟咩y緯區(qū)發(fā)現(xiàn)了2個(gè)內(nèi)埋星團(tuán)，那里曾被認(rèn)為是不會(huì)形成恒星的。也許，那里吸積了超過預(yù)期的產(chǎn)星物質(zhì)。

雖然空間觀測(cè)正在不斷開拓和分析銀河系中更暗弱也更遙遠(yuǎn)的區(qū)域，但理論天文學(xué)家仍然依靠地面望遠(yuǎn)鏡所獲得的數(shù)據(jù)來歷練他們自己不斷發(fā)展的銀河系模型。

事實(shí)上，目前正在進(jìn)行中的阿帕奇天文臺(tái)星系演化實(shí)驗(yàn)（APOGEE）巡天是唯一一個(gè)能獲得近紅外光譜的綜合巡天。該巡天始于2011年春，使用位于美國新墨西哥州的2.5米大視場(chǎng)斯隆望遠(yuǎn)鏡。它的高分辨率攝譜儀可以為天文學(xué)家提供每顆目標(biāo)恒星的化學(xué)元素豐度信息。這些數(shù)據(jù)將會(huì)為銀河系中心棒和旋臂的演化以及銀河系中恒星形成和化學(xué)增豐的歷史提供更多的線索。

在這幅紅外圖像的中部，可以看到一個(gè)貫穿其間的黑色纖維狀星云。這個(gè)稠密的分子云整個(gè)都位于銀河系年輕的薄盤中。版權(quán)：NASA/ JPL-CALTECH/SSC。

從2016年起，位于南半球智利的一架2.5米望遠(yuǎn)鏡也會(huì)加入這一巡天。有了它的一臂之力，到2020年時(shí)該項(xiàng)目將觀測(cè)約50 000顆恒星。

APOGEE會(huì)測(cè)量出單顆恒星的年齡，由此可以直接反映出隨著時(shí)間恒星的垂直分布是如何變化的。于是，天文學(xué)家可以了解在靠近和遠(yuǎn)離銀河系中心的地方結(jié)構(gòu)是如何改變的。APOGEE的第一批測(cè)量結(jié)果顯示，許多年齡不足80億年的恒星并沒有一個(gè)固定的厚度，但到銀心的距離越遠(yuǎn)，它們就分布得越厚。這是一個(gè)信號(hào)，暗示恒星到銀心的距離并非一成不變，只要時(shí)間充足，它們會(huì)遷移到更遙遠(yuǎn)的距離上。

在進(jìn)行觀測(cè)之前幾個(gè)月，為了與APOGEE巡天所觀測(cè)天區(qū)中300顆恒星的相對(duì)位置精確相匹配，天文學(xué)家會(huì)在9塊寬1米的鋁板上鉆出光纖插孔，每一根光纖都會(huì)把星光導(dǎo)入到攝譜儀中。它每次觀測(cè)所能覆蓋的天區(qū)與6個(gè)滿月的直徑相當(dāng)。

根據(jù)這些觀測(cè)結(jié)果，APOGEE團(tuán)隊(duì)制作出了迄今第一張大尺度的恒星相對(duì)化學(xué)豐度圖，覆蓋了南北兩側(cè)以及從銀河系中部到銀盤邊緣的廣大區(qū)域。

尋找更多數(shù)據(jù)

正在6個(gè)維度——3維位置和3維速度——上對(duì)銀河系進(jìn)行巡天的“蓋亞”衛(wèi)星將會(huì)提供超過10億顆恒星的直接距離。這些觀測(cè)將使得天文學(xué)家更好地了解銀河系的暗物質(zhì)成分，進(jìn)而也更進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)它的形成和演化歷史。2016年9月中旬，“蓋亞”發(fā)布了其首批有關(guān)恒星位置、距離和運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，因此有關(guān)銀河系結(jié)構(gòu)的新結(jié)果預(yù)期應(yīng)該會(huì)很快問世。

即便如此，正在進(jìn)行的地面巡天也會(huì)不斷地帶來驚喜。最近，澳大利亞國立大學(xué)的天空勘探望遠(yuǎn)鏡在核球中發(fā)現(xiàn)了銀河系中已知最年老的星族Ⅱ恒星。形成于宇宙大爆炸之后僅3億年，即有著超過130億年的年齡，這些恒星出現(xiàn)的時(shí)間比銀河系本身還早。它們所含的金屬極少，只含有更早的一顆超新星所帶來的重元素。尤其是其中的一顆恒星，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)它不含有碳，其鐵的豐度還不足太陽的1/10000。

這些恒星都是質(zhì)量約為0.8個(gè)太陽質(zhì)量的紅巨星。紅巨星——在其核心處氫不再聚變成氦，因此急劇膨脹——十分明亮，因此可以作為完美的目標(biāo)，即使距離非常遙遠(yuǎn)，可以看到它們。天文學(xué)家認(rèn)為，這些貧金屬星族Ⅱ恒星是形成于宇宙中第一代恒星——星族Ⅲ恒星——所拋射出的氣體。理論模型表明，當(dāng)這些星族Ⅲ恒星發(fā)生超新星爆炸時(shí)，它們正身處最大的原星系云之一。

在天文學(xué)家所觀測(cè)的14 000顆恒星中，有約500顆是貧金屬且有可能極其古老。在這其中有23顆恒星最為年老，年齡超過了135億年。

長(zhǎng)壽確實(shí)是銀河系的一個(gè)標(biāo)志。畢竟，天文學(xué)家預(yù)計(jì)，一些低質(zhì)量的紅矮星可以再活一萬億年。但是，這并不意味著銀河系的結(jié)構(gòu)在它們今后漫長(zhǎng)的歲月中會(huì)保持不變。

最大的變數(shù)將會(huì)是約40億年之后銀河系與另一個(gè)大型旋渦星系——仙女星系（M31）——的碰撞。然而，遠(yuǎn)在這兩個(gè)龐然大物開始并合之前，引力就會(huì)破壞掉它們目前的旋渦結(jié)構(gòu)。

盡管如此，在21世紀(jì)初的這一時(shí)間點(diǎn)上，我們的銀河系就其質(zhì)量和分類而言仍合乎正常的范疇。不過，出于某些原因，M31似乎有著比銀河系更為劇烈的并合歷史。因此，在可預(yù)見的未來，我們的銀河系將依然是高分辨率星系數(shù)據(jù)的最重要來源。在認(rèn)識(shí)星系形成和演化的過程中，它將繼續(xù)扮演典范的角色。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）