参透银河系前世今生

来自盖亚的数据将带领人们进一步探索银河系的形成与演化。图片来源：ESA/Gaia/DPAC

　　去年4月，天文学家迎来了一场“双十一”。来自欧洲空间局（ESA）盖亚项目组的第二批天文卫星数据正式发布，包括了数十亿颗恒星的精确距离、位置和亮度。可谓有史以来最全面、最详细的数据“礼包”。数据发布后，下载网页访问量激增，甚至一度出现了服务器拥堵。

　　如今这场狂欢还在持续，来自世界各地研究者的“买家秀”纷纷涌现，其中不乏许多有趣又极具意义的研究成果：有人发现了3亿~5亿年前一个系外星系如何与银河系擦肩而过，产生的引力扰动至今还未完全消失；有的天文学家研究了100亿年前，银河系如何吞噬另一个星系，将其吸收为自身的一部分……

　　“我们先前对银河系的认知正在改变。”英国剑桥大学天文学家Vasily Belokurov这样评价盖亚带来的影响。

　　盖亚标准

　　作为众多恒星中的一员，太阳系坐落在银河系非常边缘的位置，在这里观察横亘夜空的巨大恒星带，天文学家需要绘制出银河系的结构。

　　在20世纪中叶，人们曾绘制出这样一幅辽阔的图像，并指出银河系中央的凸起处分布着许多恒星，周围是稀薄的光晕。之后，研究人员从暗物质、气体和尘埃入手，推断出这样的结构如何在数十亿年间形成：那些可见的部分塌缩成一个盘状结构，吞噬较小的星系后膨胀。天文学家用望远镜反复拍摄整个星空，补充了不少细节，但也只能得到恒星静止的位置和亮度。

　　由于地球存在大气层等因素，基于地面的观测很难知道恒星在三维空间里是如何运动的。于2000年获批并在2013年飞向太空的探测器盖亚旨在解决这些问题，并计划带回银河系中10亿颗恒星的距离和运动参数，这当中约有99.99%的恒星从未被精确测定过。

　　中科院上海天文台研究员Martin·C·Smith给《中国科学报》打了个比方：“这就像我们先前的研究是依据静止的图像，而盖亚提供的数据把这些静态的图像变成了一部信息量超大的3D电影。我们能更直观地了解恒星在太空中是怎样运动的，以及知道它们到底离我们有多远。”

　　与ESA先前发射的依巴古（Hipparcos）卫星相比，盖亚精度更高，也更敏感，能探测到银河系中较暗的恒星甚至银河系外的天体。“这些观测数据体量非常庞大，超过了目前人类对银河系恒星观测的总量。”中国科学院国家天文台研究员刘超告诉《中国科学报》，他此前曾参与过盖亚项目中恒星物理参数的提取工作。

　　若想获得星系中恒星的绝对坐标，得先建立精确的坐标网格。“盖亚项目建立了这样一个天体测量的参考框架，就像是给了研究者一把尺子，这样就能测量出恒星的绝对位置。”刘超表示。

　　盖亚的贡献不止于此。10亿颗恒星的位置、距离和速度等参数能建立起一个银河系的动态模型，有了如此多的样本，人们对银河系怎样运动、演化也会有更清晰的认知。

　　银河系考古

　　去年4月第二批数据一发布，就有科学家整理了盖亚探测器上天以来的所有观测记录，复原出迄今为止最完整、详细的银河系及邻近星系的“地图”。

　　当然，这些数据带来了更多令人激动的研究结果。不少研究团队在拿到数据后都在加班加点，对数据进行梳理和分析。荷兰格罗宁根大学卡普田天文研究所的天文学家Amina Helmi和同事也不例外。

　　银河系可分为内外两个星盘，前者较小较薄，后者更大更厚。关于外盘的形成演化过程，研究者说法不一。去年10月，Helmi等人在《自然》杂志发表的一项研究表明：年轻的银河系曾与另一个巨大星系发生碰撞，并因此产生了巨大的形状变化。

　　基于盖亚项目公布的700万颗恒星的位置及运动参数，Helmi等人发现其中有相当数量的恒星（约3万颗）在“逆向漂流”，它们的运行轨道跟银河系其他恒星不同。进而发现这些恒星并非银河系“亲生”，研究者将这些星系的家园命名为盖亚—恩克拉多斯（GE）。

　　GE与银河系重重撞击之后，后者的恒星被冲散，冲击产生的扰动让其内部产生了扭曲，这也是银河系演化成为人们熟知的螺旋形状之前发生的最后一次大碰撞。

　　还有研究者从盖亚公布的数据中发现了大量恒星运动的速度和方向有异常，进而让银河系发生了变化。不过这些异常发生于大约3亿年前，仿佛是银河系的昨日。

　　去年9月，西班牙巴塞罗那大学宇宙科学研究所研究员Teresa Antoja与同事在《自然》公布了一项研究。他们发现，在大约几亿年前，银河系曾与一个矮星系“亲密接触”，并因此受到较大的引力干扰。

　　Antoja等人根据盖亚提供的600万颗恒星的速度及位置数据，发现这一体量较小的星系在路过银河系时撞上了后者的银盘，其引力产生的扰动如同一颗石子投入了池塘，波纹荡漾的影响持续至今。

　　空间探测新时代

　　基于盖亚项目提供的观测数据，这些意义重大的研究能在更短的时间内被发现，而人们先前进行的各项假设，也可以通过银河系中一个个精确的坐标验证正确与否。

　　预计到2020年，盖亚将发布第三批探测数据。不过这并不意味着此前基于地面的天文观测没了用武之地。

　　“盖亚的数据并不能解答一切，比如恒星究竟是在向地球飞来还是远去、恒星的化学成分是什么，这些要看恒星的光谱才能知道，”Smith表示，“所以我们也需要来自地面的观测数据。”

　　Helmi与同事的研究就用到了来自美国新墨西哥州阿帕奇天文台的斯隆数字巡天（SDSS）观测数据，确认了那些运动轨迹异于其他恒星的星群拥有类似的化学成分，从而证明其来自银河系外。

　　盖亚地面的“帮手”还包括光谱学调查，利用位于智利帕瑞纳天文台的极大型光学望远镜，观测到数十万颗恒星的径向速度和化学成分。

　　同样作出贡献的还有中国的郭守敬望远镜LAMOST，如果说盖亚的强项是提供大量恒星的“绝对坐标”，那么6年前正式投入使用的LAMOST则能提供近千万颗恒星的光谱。太空卫星与地面望远镜的数据相互补充、校验，能进一步加速人类对银河系的探索。

　　“未来，我们还将把盖亚和LAMOST的数据结合起来，进一步研究银河系星盘的演化过程，搞清楚我们周围的这些恒星源自何处。”Smith表示。