苗千

這種宇宙級(jí)的美感和浪漫讓人感嘆。實(shí)際上銀河系中的恒星并不都是誕生自銀河系，也有一些是銀河系從其他星系中“掠奪”而來(lái)。星流所呈現(xiàn)的恒星結(jié)構(gòu)，記載的往往是一段段星系之間大魚(yú)吃小魚(yú)，相互吞噬的慘烈歷史。如今，天文學(xué)家們正試著通過(guò)觀察這些星流的狀態(tài)來(lái)深入研究我們所居住的銀河系以及整個(gè)宇宙演化的歷史。

NASA發(fā)布的一張由哈勃天文望遠(yuǎn)鏡拍攝的星流圖像

宇宙中眾多的星系是從何而來(lái)？以前天文學(xué)家們認(rèn)為是在宇宙大爆炸之后，在暗物質(zhì)的引力作用下，普通物質(zhì)逐漸聚集形成的。但是隨著理論天文學(xué)的發(fā)展，天文學(xué)家們通過(guò)越來(lái)越先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和算法，對(duì)整個(gè)可觀測(cè)宇宙中數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的星系演變過(guò)程，以及單個(gè)星系的形成過(guò)程進(jìn)行更為細(xì)致的模擬分析，發(fā)現(xiàn)如銀河系這樣的棒旋結(jié)構(gòu)并非“自然形成”，而是在吞并了多個(gè)小星系之后逐漸形成的。至今仍然有數(shù)百個(gè)小星系圍繞在銀河系的周?chē)?，但在這片宇宙區(qū)域，更多的小星系已經(jīng)在宇宙漫長(zhǎng)的歷史中被銀河系吞噬，留下的少許痕跡唯有星流。

“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中?！钡厍虮旧砭吞幱阢y河系一條懸臂的外側(cè)，想要認(rèn)識(shí)銀河系的結(jié)構(gòu)并不容易，因此天文學(xué)家們最先是在外星系發(fā)現(xiàn)了星流。隨著天文學(xué)探測(cè)的精度越來(lái)越高，越來(lái)越多銀河系的星流也被發(fā)現(xiàn)了。地面上的“斯隆數(shù)字巡天”（Sloan Digital Sky Survey）項(xiàng)目和“暗能量巡天”（Dark Energy Survey）項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)銀河系中的星流。在2018年4月歐洲空間局蓋亞（Gaia）探測(cè)器所公布的太空探測(cè)數(shù)據(jù)中，包含了銀河系中1%的恒星所處的位置和運(yùn)動(dòng)速度，這給了天文學(xué)家們更多的機(jī)會(huì)尋找星流。

在銀河系內(nèi)部，最先被發(fā)現(xiàn)的是人馬座星流（Sagittarius Stream），這是一個(gè)矮星系被銀河系的引力所撕裂之后留下的痕跡。人馬座星流對(duì)于天文學(xué)家并沒(méi)有太大價(jià)值，這個(gè)星流中的恒星已經(jīng)大多與銀河系混為一體，不易分辨。除了純粹的美感之外，天文學(xué)家試著利用星流來(lái)解答一些實(shí)際問(wèn)題，比如說(shuō)銀河系有多重。想要解決這些問(wèn)題，最好能夠找到稀疏且狹長(zhǎng)的星流作為研究對(duì)象。

銀河系究竟有多重？這個(gè)問(wèn)題不容易回答。銀河系在宇宙中橫跨了十多萬(wàn)光年的距離，含有幾千億顆恒星，居住其間的人類(lèi)估算起來(lái)誤差可能會(huì)大得離譜。想要估算銀河系中心區(qū)域的質(zhì)量，可以通過(guò)觀察圍繞在中心區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)的天體的運(yùn)動(dòng)速度，利用牛頓力學(xué)進(jìn)行大致的估計(jì)?？墒?，一方面這些天體往往并不是沿一個(gè)圓周運(yùn)行，另一方面，銀河系的大部分質(zhì)量實(shí)際上并不是集中在中心區(qū)域的可見(jiàn)物質(zhì)，而是在外圍“星系暈”區(qū)域的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)究竟如何分布，人們至今還不清楚。此前天文學(xué)家對(duì)于銀河系整體質(zhì)量的預(yù)測(cè)在5000億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量與2.5萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，誤差不可謂不大。

銀河系邊緣的矮星系和球狀星團(tuán)的運(yùn)行軌跡也可以反映出銀河系的整體質(zhì)量，但是相比之下天文學(xué)家很難掌握它們的運(yùn)行軌道。利用這些天體進(jìn)行估算，銀河系的整體質(zhì)量最低是7000億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，最高則是這個(gè)數(shù)字的幾倍之多，誤差仍顯太大。

人們需要在銀河系的邊緣找到一些遙遠(yuǎn)且稀疏的星流作為參照，通過(guò)星流的整體形狀以及恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)判斷整個(gè)星系的質(zhì)量。通過(guò)加州理工學(xué)院的天文學(xué)家卡爾·格力爾邁爾（Carl Grillmair）與同事奧迪西斯·迪奧那托（Odysseas Dionatos）共同發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)星流GD-1，加上在2001年通過(guò)“斯隆數(shù)字巡天”項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的星流Pal5，天文學(xué)家對(duì)銀河系的整體質(zhì)量進(jìn)行了計(jì)算，大約為7000億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

可以與之對(duì)照的，是在得到了2018年蓋亞探測(cè)器第二次的銀河系探測(cè)數(shù)據(jù)之后，另外一組科學(xué)家也對(duì)銀河系的整體質(zhì)量進(jìn)行了估算。2018年9月，英國(guó)杜倫大學(xué)和美國(guó)麻省理工學(xué)院的一組天文學(xué)家在《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）雜志發(fā)表論文《通過(guò)衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)計(jì)算銀河系的質(zhì)量》（The Mass of the Milky Way from Satellite Dynamics），這些科學(xué)家通過(guò)星系的模型和蓋亞的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，銀河系的總質(zhì)量大約是1萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，誤差范圍為20%，這個(gè)數(shù)字與利用星流進(jìn)行的估算相對(duì)接近。

利用銀河系周邊星流的形狀和恒星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，天文學(xué)家們還試圖以此來(lái)研究銀河系中暗物質(zhì)的分布狀況，因此更多在銀河系邊遠(yuǎn)地區(qū)的星流被納入到研究范圍內(nèi)。通過(guò)分析蓋亞的探測(cè)數(shù)據(jù)，天文學(xué)家們?cè)贕D-1星流上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)缺口，這讓一些人又驚又喜，因?yàn)榇饲罢怯欣碚撃Ｐ皖A(yù)測(cè)了這種情況的出現(xiàn)。

2018年8月，普林斯頓大學(xué)的天文學(xué)家阿德里安·普萊斯-惠蘭（Adrian Price-Whelan）與耶魯大學(xué)的天文學(xué)家安娜·博納卡（Ana Bonaca）在《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal Letters）雜志發(fā)表論文《一條偏僻小路：蓋亞解釋了GD-1的恒星偏離星流》（Off the Beaten Path：Gaia Reveals GD-1 Stars Outside of the Main Stream）。在論文里，作者預(yù)測(cè)在星流上出現(xiàn)的缺口，實(shí)際上是其與主要由暗物質(zhì)構(gòu)成的矮星系相撞的結(jié)果。通過(guò)對(duì)這樣的缺口進(jìn)行分析，就有可能更準(zhǔn)確地判斷銀河系內(nèi)暗物質(zhì)的分布狀態(tài)。

越來(lái)越多的天文學(xué)家意識(shí)到了星流對(duì)于研究星系的形成過(guò)程和性質(zhì)的重要價(jià)值。隨著探測(cè)數(shù)據(jù)積累得越來(lái)越多，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了算法，讓計(jì)算機(jī)代替人自動(dòng)尋找星流。更多的星流必將揭示銀河系中更多的秘密。因?yàn)樾窍档某叨冗h(yuǎn)超人類(lèi)的想象，其中所蘊(yùn)含的奧秘，解答奧秘所需要的線索，往往也都超出人類(lèi)的想象。因此，每當(dāng)人類(lèi)對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)更深入一分，也就能夠激發(fā)出一分超出人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)之外的美感。這些動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)光年長(zhǎng)的星流，如同一個(gè)龐大星系的點(diǎn)綴飾品，卻又記載著星系間相互吞噬的慘烈。這樣一種宇宙發(fā)展的歷史，又難以不讓人想到人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷程。

（本文寫(xiě)作參考了《科學(xué)》雜志的報(bào)道）