银河系考古

　　撰文 凯瑟琳·V·约翰斯顿（Kathryn V. Johnston）

　　本文作者凯瑟琳·V·约翰斯顿是美国哥伦比亚大学天文学系主任。她出生于英国约克郡，曾就读于英国剑桥大学和美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校。约翰斯顿的星系研究兴趣是银河系的形成和生长。

　　翻译 谢懿

　　研究表明，银河系在演化过程中吸引并吞噬了周围许多较小的星系，并逐步将这些小星系的恒星融合进银河系。小星系被吞食后，会在银河系引力作用下形成一道横跨天空的暗弱星流。到目前为止，科学家已经在银河系中发现了多条来自早已消失的卫星系的星流，这证实了一个被广泛接受的理论：起初银河系很小，但它通过大规模吞并小星系来增加质量，这一过程叫做“等级式结构形成”。科学家希望通过研究这些星流来探究银河系的形成之谜，即“银河系考古”。

　　星系是如何形成的

　　根据星系等级式结构形成学说，驱动银河系生长的主要动力来自包裹着星系的暗物质晕。暗物质晕会通过引力吸引气体形式的物质向自己移动，逐渐聚集成较大的晕，进而驱动较大星系吞食较小星系。星系形成过程中的真正谜题是普通重子物质。在星系的演化过程中，重子物质是如何发挥作用的？

　　银河系的周围有一个巨大的球形晕在捕捉路过的矮星系。当一个矮星系环绕银河系时，越靠近核球，它受到的引力越大。银河系以强大的引力作用将矮星系中的恒星剥离出来，使其沿着一条与矮星系运行轨迹稍微不同的轨迹继续前行。随着时间的推移，这种微小的差异会使得被剥离出的物质逐渐扩散，最终形成星流。

　　但是，等级式形成过程中的许多细节仍然无法确定，例如当银河系吞并大部分卫星系时，它吞食矮星系的频次是怎样的？需要多久才能把矮星系中的恒星收归己有？要回答这些问题，天文学家必须要找到更多可供其进行详细研究的星流。

　　发掘银河系“化石”

　　经过数十年的研究，银河系考古学家从斯隆数字巡天项目的数据中得到了一幅高质量的银河系恒星三维分布图。该项目建立了一个包含银河系8000多万颗恒星的数据库，这些恒星所在的范围覆盖了四分之一的天区，恒星的距离、颜色和其他特征等信息也被记录在其中。

　　在斯隆数据库记录的大量恒星信息中，闯入银河系的恒星数量大约有近100万颗，天文学家可以利用它们寻找很久以前就已消亡的星系证据，银河系考古学家还可以利用它找到那些位于银晕中的恒星。通过有针对性的寻找方式可以让研究人员更好地探究星流的奥秘。

　　2003年，研究人员在银河系已知最近的卫星系——人马座矮星系流出的巨型尾状结构找到了第一个具有说服力的星流证据。此后，银河系考古学家从斯隆的数据库中又发现了十几条围绕银河系的星流。这些发现表明，银河系在早期历史中吞食星系的频率更高，此后由于可供其“进食”的矮星系数量减少，这一频率才 逐渐放缓。到目前为止，这些发现都与等级式形成理论的预言一致。

　　新的发掘工具

　　天文学家也利用其他的恒星特性来寻找更为消散的星流和已经完全解体的星流遗迹，从而探索银河系形成过程中最活跃的阶段——大约在100多亿年前，宇宙中的大部分恒星已经形成。正是在此期间，数百个小型星系和星团簇拥到一起形成了银河系。

　　有一种搜寻这些现已解体的星系遗迹的途径是寻找那些具有相同轨道的恒星。星流中的恒星在经过长时间演化后会变得过于分散，无法根据其位置来识别它们 是否曾属于同一星系，但科学家可以根据其运动情况进行分辨，这正是欧洲空间局于2013年12月发射盖亚卫星的众多科研目标之一。“盖亚”也将在发射后的 4年内观测超过10亿颗恒星的距离、位置和运动情况，为银河系考古学家提供全新的数据集。

　　探测恒星的化学成分为发现星流提供了另一种潜在方法。在恒星的核心处会发生核聚变，轻元素在这一过程中会转变为重元素。但核聚变只发生在恒星密度和 温度最高的中心区域，而恒星大气则和其诞生时的气体完全相同。研究人员通过测量恒星大气将具有相同“化学指纹”的恒星分组，从而将它们分别归入出生时所在 的星团。

　　对于那些质量大致相当、被银河系吸纳摧毁时间也大致相同的星系而言，它们向银河系“贡献”的恒星应该会有相同的化学构成。科学家因此可以对银河系恒星的整体化学构成进行研究从而识别哪些恒星是在相似的时间来自相似的星系。

　　过去10年，研究人员对环绕银河系的星流有了许多惊人的发现。未来，这些发现更将极大地扩展人类对星系形成的认知。