对银河系的认识论文

在这个宇宙里，“轮回”是个非常常见的话题。恒星死亡爆发为超新星，超新星的遗迹又造就新的恒星；黑洞可以吞噬一切，但又有理论认为黑洞可以孕育一个星系。在宇宙中，死亡和灾难仿佛总是和诞生联系在一起。

最近的一项研究表明：即使是我们的太阳系，可能也是从灾难中诞生的。除了大家都知道的太阳系诞生于一颗古老超新星的理论之外，欧洲的科学家还发现：如果不是几十亿年前一个星系与银河系发生剧烈的碰撞，可能也不会有太阳系的诞生。

在本星系团中，银河系并非完全独立存在的。在它的周围，科学家发现了差不多60个比较小的星系，在引力的作用下围绕银河系公转，这些星系被称作 卫星星系 。我们最熟悉的卫星星系，就是航海家麦哲伦记录下来的大小麦哲伦星云。今天，咱们要说到的，是科学家在1994年发现的一个矮星系—— 人马座矮椭球星系 。

人马座矮椭球星系（Sagittarius Dwarf Spheroidal/Elliptical Galaxy，缩写：Sgr d Sph或Sag DEG），距离我们大约7万光年，自身直径约1万光年，以几乎垂直于银盘的轨道绕银河系公转。

早在2018年的时候，欧洲航天局的 盖亚卫星 就发现：这个矮星系在最近3-9亿年之间曾经从银河系中穿行而过，引起了银河系核心一些恒星的扰动。而接下来两年的观测，科学家发现：Sgr d Sph 绝非仅仅在银河系中穿越过一次，而是多次在银河系体内穿行。进一步的研究显示，它很有可能在57亿年前也完成过一次穿越，而这一次穿越，直接导致了我们太阳系的形成！

这个理论是由西班牙特内里费岛加纳里亚天文研究所的一支团队发现的，他们将研究的论文发表在了《 自然天文学 》杂志上，向我们展示了太阳系侥幸的诞生。

根据盖亚卫星的数据，科学家们推测：在最近60亿年的时间里，Sgr d Sph至少与银河系发生过3次碰撞。其中最近的一次发生在大约10亿年前，和盖亚卫星在两年前观测的数据基本相符；在此之前，在大约20亿年前，它也曾经穿越过银河系；最远的一次发生在大约57亿年前，这也是导致太阳系形成的重要原因。

很多人一听到星系的碰撞，首先想到的是天体之间的撞击所带来的毁天灭地的灾难。实际上，由于恒星之间距离过于遥远，所以天体直接碰撞的概率并不大。恰恰相反，在星系碰撞过程中，反而有机会促成天体的形成。

论文的主要作者Tomas Ruiz-Lara向我们解释了这其中的机制：

这些涟漪会导致一部分区域的气体和尘埃密度下降，让它们在其他区域聚集。同时，星系之间的碰撞还产生了类似于超新星冲击波的效果，这种冲击波非但不会把气体云吹散，反而会将它包裹起来。原本这些物质需要非常漫长的岁月才会在引力作用下坍缩成为恒星，而在冲击波的助推之下，它们迅速凝聚在一起，加速了恒星的形成。

Tomas Ruiz-Lara表示：“当我们对盖亚卫星关于银河系的数据进行分析时，发现了三个恒星形成加速期，分别在57亿年前、19亿年前和10亿年前达到峰值，恰好与我们认为人马座矮椭球星系穿越银盘的时间相对应。”

“看样子，Sgr d Sph不仅雕刻了银河系的形状、影响了恒星在银河系内的运动模式，还使得银河系变得更加壮大。”论文的共同作者、同样来自IAC的Carme Gallart说，“看起来，银河系内很多恒星的形成都与它有关，如果没有它，这些恒星恐怕就不会出现了。”

他说的恒星之中，就包括我们的太阳系。他们的这个说法并非单纯的猜测，而是基于大量的观测数据和模型才提出的。他们对太阳附近6500光年以内的恒星进行了比较，尤其注意了它们的光度、颜色和距离。通过这些数据得到的结果，也都和这次关于人马座矮椭球星系撞击银河系的研究相符。

虽然这个说法还不是绝对的结论，但是可能性还是非常高的。Gallart表示：“在人马座矮椭球星系第一次穿越银河系的作用导致大量恒星形成的同时，我们的太阳也诞生了。我们不知道后来变成太阳的气体和尘埃云是不是在人马座矮椭球星系的引力作用下才发生坍缩，但这的确是一种可能性，因为太阳的年龄和人马座矮椭球星系导致恒星形成的时期相一致。”

研究人员也并没有强求太阳系诞生理论是否最终成立，他们更欣喜的是发现了卫星星系对主星系恒星形成的影响和作用，哪怕两个星系的质量有天壤之别。

我们之所以能够得到如此重要的科学发现，更多的也要归功于欧空局的盖亚卫星。2013年发射升空的盖亚卫星，以绘制银河系最完整地图为使命，对银河系内数十亿颗恒星进行了观测和定位，对于我们理解银河系有着重要的帮助。

至于人马座矮椭球星系，根据科学家的观测，它在围绕银河系公转的过程中，也在不断损失着自己的质量。也许，它是在用自己的“生命”，为银河系创造新的恒星。若不是它的碰撞，可能就不会有太阳系，也不会有地球，更不会有我们。

所以，当我们仰望夜空的时候，别忘了还有这么一个矮星系，同样是创造宇宙奇迹的贡献者。

数以亿万级的耀眼恒星织成了银河，点缀了黑暗的夜空。在这些彼此相距遥远的恒星之间，也并非是完全的“真空”，而是充斥着星际介质。其中的一个重要成员，便是由恒星贡献的 “金属” —— 在天文学里，所有比氦更重的元素都统称为金属 。当恒星寿终正寝，并以爆炸完成华丽的谢幕时，它们会将自己产生的金属（如铁、锌、碳和硅等）以原子形式喷射出来，释放到星系介质的气体中。

除了来源于恒星的金属之外，星际介质中还有两个重要成员。恒星喷射出的金属会逐渐凝缩成 尘埃颗粒 ，尤其是在星系中较为寒冷和致密的区域。而来源于星系间、被吸入星系的 原初气体 （pristine gas）不含金属，其主要成分是氢，也含有少量的氦。原初气体为星系提供了新鲜的“补给”，同时也为新恒星形成提供了原料。

在上百亿年前，银河系诞生之初，其中是不含金属的，而正是恒星释放的金属丰富了银河系环境的成分。了解银河系中的气体和金属成分，可以帮助人们更好地理解其 历史 和演化过程。

理论上，星际介质中的金属丰度可以用极紫外吸收光谱测量。但由于尘埃中的金属元素呈固态，而非可观测的气态，所以科学家无法对太阳附近以外的区域的金属丰度作出准确测量。因此， 现有的星系理论模型默认 ，星际介质中的三种成分（来源于恒星的金属、尘埃和来源于星系间的原初气体）是 均匀混合 的，而且在银河系的大部分区域， 金属丰度都与太阳大气层中（即太阳金属丰度）相当 ，但在银河系中心区域，由于恒星分布更为密集，金属丰度略高。

然而近日，一支由瑞士、美国、智利和法国天文学家组成的研究团队在《自然》上发表了他们最新的 研究成果 ，表明银河系中星际介质的成分并未像此前人们所想的那样是均匀混合的。相反，银河系的不同区域， 金属丰度存在剧烈的波动 。这项发现可能对现有的星系演化理论产生重要影响，也意味着对银河系演化进行模拟的模型或许需要修正。

研究团队使用了哈勃空间望远镜、甚大望远镜（VLT）等的观测数据，对银河系中的25颗恒星光谱进行了研究。“当我们观测恒星时，恒星和观测者之间的 气体中的金属会吸收微量的、特定频率的光 ，这一特征吸收光谱，不仅可以让我们得知金属的存在，还 可以告诉我们其种类以及丰度 。”索尔邦大学巴黎天体物理研究所的帕特里克·珀蒂让（Patrick Petitjean）解释道，他也是这篇论文的作者之一。这些恒星与太阳的距离都不超过3千秒差距（1秒差距 光年）。

为 校正以往观测中尘埃对金属丰度测量的影响 ，研究团队开发了一种新的观测技术，其中应用了两种独立的方法来估计尘埃对观测结果的影响。“这项技术通过同时观测多种元素，例如铁、锌、钛、硅和氧，将气体和尘埃的总成分纳入分析。然后，我们就可以追踪尘埃中的金属含量，并与此前的观测获取的数据叠加，获知总的金属丰度。”研究人员对此解释道。

结果令研究团队感到意外：不同的恒星金属丰度并不相同，其 差异可以超过一个量级 。其中，丰度最低的仅为太阳的17%，最高的则超过太阳的180%。此外，大约2/3的恒星金属丰度都低于太阳金属丰度， 平均金属丰度为太阳的55% ，这也与此前的观点，即银河系中各处的金属丰度都与太阳相当，有很大的出入。此外他们还观测到，这种 不均匀性的分布跨度可以超过数十秒差距 。不过，他们没有发现金属丰度和恒星与银河系中心的距离有明显的关联。

研究人员认为， 落入银盘中的原初气体与金属丰度较高的星际介质的混合 ，可能造成观测到的金属丰度较低。这些原初气体的金属丰度极低，它们落入银盘时形成了 高速云团 ， 难以有效地与星际介质混合 ，可能最终造成了星际介质金属丰度分布的不均匀。目前的观测结果也表明，银盘吸入原初气体的速率远高于产生和维持这种不均匀性的需求。也就是说，原初气体的云团可能非常常见，并且能解释研究的结果。

此前科学家们认为，原初气体与星际介质可以高效地混合。但这一新的发现表明，这一过程并没有那么高效迅速，可能的原因之一是，参与混合的不同组分之间的物理特性差异巨大。

金属在恒星、宇宙尘埃、分子和行星的形成中起到了基础性的作用。这一研究，也让科学家们开始展望未来的银河系研究。“这项发现， 对构建关于星系形成和演化的理论模型产生了重大影响 。”研究团队的成员之一、日内瓦大学天文学院的延斯-克里斯蒂安·克罗加格（Jens-Kristian Krogager）表示，“今后，我们要进一步提升分辨率，让模拟变得更精细，将银河系不同区域金属丰度的差异纳入考虑。”

编译 | 李诗源

审校 | 王昱

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