來(lái)源：Nature自然科研

　　來(lái)自蓋亞探測(cè)器的數(shù)據(jù)從根本上改變了我們對(duì)銀河系演化的認(rèn)知。

　　去年4月的，Amina Helmi在前往荷蘭北部上班的路上起了一陣雞皮疙瘩，并不是因?yàn)樘鞖饫�，而是因�(yàn)橐环N純粹的期待。幾天前，歐洲航天局(ESA)的“蓋亞”(Gaia)任務(wù)將過(guò)去五年繪制而成的超詳細(xì)銀河系地圖全數(shù)發(fā)布。作為格羅寧根大學(xué)的一名天文學(xué)家，Amina Helmi和她的團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)正爭(zhēng)分奪秒地解讀這些數(shù)據(jù)，以期先人一步解開銀河系的秘密。

　　來(lái)源： ESA/Gaia/DPAC　　加班加點(diǎn)趕進(jìn)度，激動(dòng)得睡不著覺(jué)，Helmi和同事都預(yù)感將有大事發(fā)生。團(tuán)隊(duì)一共發(fā)現(xiàn)了3萬(wàn)顆“叛逃”恒星。不同于銀河系主體中其他天體的平面盤形繞軌運(yùn)動(dòng)，這些不守規(guī)矩的恒星逆其道而行之，沿著帶領(lǐng)它們離開銀道面的軌道運(yùn)動(dòng)。

　　團(tuán)隊(duì)用了幾周的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)了這群明亮的恒星昭示著銀河系歷史上一段不為人知的混亂過(guò)去：年輕的銀河系曾與一個(gè)巨大的伴星系發(fā)生過(guò)碰撞。這個(gè)巨大的伴星系曾圍繞著銀河系運(yùn)動(dòng)，就像行星圍繞恒星而轉(zhuǎn)，但在約80億-110億年前，兩者發(fā)生了碰撞，導(dǎo)致銀盤發(fā)生巨變，恒星四散開來(lái)。這是迄今已知的在銀河系形成人類所熟知的旋臂結(jié)構(gòu)前的最后一次大碰撞。

　　幾十億年來(lái)，那次古老的碰撞留下的信號(hào)就在我們眼前，但一直到蓋亞數(shù)據(jù)集公布之后，天文學(xué)家才能檢測(cè)到它。Helmi對(duì)此評(píng)價(jià)道：“能夠發(fā)現(xiàn)銀河系歷史上的這一里程碑事件簡(jiǎn)直太棒了。”

　　多虧了蓋亞任務(wù)，這類具有重大意義的發(fā)現(xiàn)層出不窮。蓋亞任務(wù)的目標(biāo)是編制一張囊括10億多顆局域恒星的星表，記錄下它們的亮度、溫度、年齡、位置和速度。

　　其中，恒星的位置和速度對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)尤其重要：蓋亞任務(wù)之前，科學(xué)家一直缺少關(guān)于許多恒星的距離和“自行”(恒星在天空中的移動(dòng))的高精度測(cè)量數(shù)據(jù)。

　　一旦有了這些關(guān)鍵信息，就像Helmi和她的同事一樣，研究人員能尋找到沿著協(xié)調(diào)軌跡共同運(yùn)動(dòng)的天體，并發(fā)現(xiàn)它們的共同起源。知道恒星速度還有助于追溯暗物質(zhì)的影響——謎一般的暗物質(zhì)雖然看不見(jiàn)摸不著，卻是銀河系的主要質(zhì)量來(lái)源，其引力能夠彎曲恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡。

　　自從2018年4月蓋亞數(shù)據(jù)集公布以來(lái)，已有幾百篇論文相繼發(fā)表出來(lái)，它們所描繪的銀河系比我們?cè)�先所設(shè)想的更有活力，也更復(fù)雜。這個(gè)銀河系中充滿了驚喜，比如那些指向暗物質(zhì)團(tuán)存在的跡象，或許能讓科學(xué)家進(jìn)一步認(rèn)識(shí)暗物質(zhì)的性質(zhì)。英國(guó)劍橋大學(xué)天文學(xué)家Vasily Belokurov表示，那些容易發(fā)現(xiàn)的初期成果已經(jīng)帶來(lái)了轉(zhuǎn)變，但這只是一場(chǎng)天文學(xué)大發(fā)現(xiàn)的預(yù)演：“我們對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)已經(jīng)完全改變了。”

　　動(dòng)蕩的過(guò)去

　　太陽(yáng)系距離銀河系中心約8000秒差距(約2.6萬(wàn)光年)，位于銀河系邊緣的次級(jí)旋臂——獵戶座懸臂。從這一高處望去，可以看到整個(gè)夜空群星閃耀，科學(xué)家也必須從這個(gè)位置繪制出整個(gè)銀河系的結(jié)構(gòu)。

　　截至20世紀(jì)中葉，天文學(xué)家已經(jīng)有了一個(gè)大致框架，他們認(rèn)為銀河系的恒星主要集中在中央核球內(nèi)，并被類似蛇形彎曲的旋臂包裹，周圍還有一圈較薄的球形暈輪。上世紀(jì)七、八十年代，研究人員已經(jīng)推導(dǎo)出這種結(jié)構(gòu)是如何在過(guò)去幾十億年中慢慢形成的——最初不過(guò)是一團(tuán)暗物質(zhì)、氣體和塵埃。可見(jiàn)成分先是塌縮成盤狀結(jié)構(gòu)，再通過(guò)吞噬較小的衛(wèi)星星系逐漸向外脹大。之后，天文學(xué)家運(yùn)用地面望遠(yuǎn)鏡反復(fù)拍攝整個(gè)夜空，捕捉到了更多細(xì)節(jié)。這類觀測(cè)活動(dòng)讓科學(xué)家能夠近距離觀察恒星暈等大型星系對(duì)象，他們?cè)诤阈菚炛邪l(fā)現(xiàn)了進(jìn)入恒星碎屑流的小型星系殘余。

　　但是，地面觀測(cè)得到的銀河系結(jié)構(gòu)信息畢竟有限，這主要因?yàn)榈厍虻臄_動(dòng)大氣會(huì)影響恒星距離的測(cè)量精度。此外，雖然可以通過(guò)顏色變化判斷恒星朝向地球或遠(yuǎn)離地球的運(yùn)動(dòng)速度，但想要得到恒星自行和完整的三維速度信息卻很難，因?yàn)閺娜祟悤r(shí)間尺度來(lái)看，天空中大部分天體的運(yùn)動(dòng)可以說(shuō)是微乎其微。因此，恒星之間的關(guān)系變得異常費(fèi)解，而尋找不同恒星的運(yùn)動(dòng)相似性或能作為破解這類關(guān)系的重要線索。

　　2000年立項(xiàng)，13年后才正式啟動(dòng)的蓋亞任務(wù)耗資約8.44億美元，正是為了填補(bǔ)這些空白而生。蓋亞探測(cè)器的繞日軌道略大于地球的繞日軌道，它可以從不同的位置捕捉同一顆恒星的信息。由此一來(lái)，天文學(xué)家就能通過(guò)“恒星視差”來(lái)計(jì)算恒星距離，恒星視差是指觀測(cè)對(duì)象的視位隨觀測(cè)位置變化而發(fā)生的極小改變。歐洲航天局的“依巴谷”(Hipparcos)衛(wèi)星曾在1989年-1993年運(yùn)行期間收集過(guò)類似的視差數(shù)據(jù)，但蓋亞的測(cè)量精度要高100倍，靈敏度也更佳，足以讓人類窺見(jiàn)銀河系更深處的真容：在蓋亞所觀測(cè)的10億多顆恒星中，約99%的恒星距離從未得到測(cè)量。

　　蓋亞的計(jì)算任務(wù)十分艱巨，項(xiàng)目研究人員將探測(cè)器所捕捉到的每一顆恒星相對(duì)于其它每顆恒星的位置繪制成了詳細(xì)地圖。團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上測(cè)量得出了恒星看上去劃過(guò)天空的速度，即恒星的自行。通過(guò)測(cè)量恒星顏色的細(xì)微變化，天文學(xué)家就能大概知道天體沿衛(wèi)星瞄準(zhǔn)線靠近或遠(yuǎn)離的速度。結(jié)合以上兩個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，以及蓋亞計(jì)算出的恒星距離，就能得到恒星的完整三維運(yùn)動(dòng)信息。蓋亞能夠測(cè)量出它觀測(cè)到的最明亮的一批恒星的瞄準(zhǔn)線運(yùn)動(dòng)，但地面望遠(yuǎn)鏡能幫助觀測(cè)剩下的恒星。知道每顆恒星的位置以及它們運(yùn)行的方向，研究人員就能快速梳理出銀河系的隱秘歷史。

　　以Helmi及其同事所研究的古老碰撞為例，他們發(fā)現(xiàn)一群恒星擁有共同起源的證據(jù)得到了位于美國(guó)新墨西哥州的地面望遠(yuǎn)鏡“斯隆數(shù)字巡天”(Sloan Digital Sky Survey， SDSS)的進(jìn)一步佐證，SDSS收集到的數(shù)據(jù)顯示，這些恒星的化學(xué)構(gòu)成非常相似。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這些恒星都來(lái)自一個(gè)矮星系，并將這個(gè)矮星系取名為“蓋亞-恩克拉多斯”(Gaia-Enceladus)。在古希臘神話中，巨人恩克拉多斯是蓋亞的后代。

　　巧合的是，Belokurov和同事也從蓋亞2016年發(fā)布的首批數(shù)據(jù)中，找到了這次碰撞的證據(jù)。當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)并不包含自行數(shù)據(jù)，但通過(guò)將數(shù)據(jù)集中的恒星位置信息與SDSS十年前的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，團(tuán)隊(duì)就能知道恒星在中間這段時(shí)間是如何移動(dòng)的。他們發(fā)現(xiàn)有一群天體共同在偏離中心的軌道上運(yùn)動(dòng)，而這個(gè)軌道會(huì)把它們帶離銀心。

　　這些現(xiàn)象似乎都源于一次大碰撞事件。這些恒星顯然具有共同起源，因?yàn)樗鼈兊慕饘俸�量非常類似。研究人員根據(jù)恒星速度繪圖后，發(fā)現(xiàn)形狀類似香腸，于是將這些恒星曾經(jīng)的家園——這個(gè)古老的矮星系命名為“蓋亞香腸”(Gaia Sausage)。

　　對(duì)同一個(gè)矮星系的兩種叫法在天文界引起了混淆。但是無(wú)論如何稱呼這個(gè)“元兇”，這次古老合并可能是解開銀河系之謎的一個(gè)線索。銀盤由兩部分組成，一個(gè)是含有氣體、塵埃和年輕恒星的薄盤，就像奧利奧餅干的夾心部分;其外部則是幾乎清一色由老星組成的厚盤。

　　天文學(xué)家一直在爭(zhēng)辯究竟是先有厚盤，再有氣體和塵埃壓縮形成一個(gè)薄核;還是先有薄盤，再?gòu)谋”P的一部分膨脹擴(kuò)大。由于這個(gè)“蓋亞-恩克拉多斯-香腸”矮星系在碰撞時(shí)只比銀河系小一點(diǎn)，它很有可能曾給銀盤輸送了大量能量，使其升溫脹大。Helmi團(tuán)隊(duì)將這一發(fā)現(xiàn)視為支持膨脹理論和銀河系曾經(jīng)歷過(guò)劇烈變形的證據(jù)。

　　知識(shí)的井噴

　　讓研究人員深受震動(dòng)的是，借助蓋亞提供的數(shù)據(jù)，此前難有突破的天文學(xué)研究正以前所未有的速度向前發(fā)展。哥倫比亞大學(xué)天文學(xué)家Kathryn Johnston猶記得就在蓋亞數(shù)據(jù)集披露后的第二天，一篇論文曾引起了熱議，論文指出太陽(yáng)周圍約有600萬(wàn)顆恒星整齊劃一地排成類似蝸牛殼的形狀進(jìn)行螺旋式運(yùn)動(dòng)。

　　Johnston認(rèn)為這種運(yùn)動(dòng)軌跡看起來(lái)像是小型衛(wèi)星星系“人馬座”留下的指紋。每當(dāng)人馬座快速靠近時(shí)，其引力就會(huì)對(duì)銀河系的恒星產(chǎn)生擾動(dòng)，這種擾動(dòng)會(huì)在銀盤中產(chǎn)生晃動(dòng)并留下漣漪。研究人員此前對(duì)這種痕跡有過(guò)推測(cè)，但蓋亞數(shù)據(jù)集提供了清晰而有力的信號(hào)，證明人馬座的影響。“那對(duì)我來(lái)說(shuō)是個(gè)不可多得的時(shí)刻，”Johnston說(shuō)，“整個(gè)螺旋形狀非常清晰�？雌饋�(lái)更像是一個(gè)理想化模擬的理論預(yù)測(cè)，而不是一個(gè)真實(shí)的數(shù)據(jù)圖。”

　　透過(guò)蓋亞的“眼睛”，這種擾動(dòng)不僅顯而易見(jiàn)，還訴說(shuō)著銀河系的另一段歷史。此前，大多數(shù)天文學(xué)家推測(cè)，雖然銀河系外暈曾與小衛(wèi)星發(fā)生混亂的碰撞，但銀河系主體一直以來(lái)都較為平靜�？茖W(xué)家一直認(rèn)為諸如旋臂和被認(rèn)為穿過(guò)核球的恒星帶都是銀河系內(nèi)在動(dòng)力下的產(chǎn)物。但這些看似由人馬座引發(fā)的晃動(dòng)顯示，外部力量對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)的影響超過(guò)此前天文學(xué)家的認(rèn)識(shí)。

　　普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家Adrian Price-Whelan認(rèn)為，蓋亞迫使研究人員不得不重新審視一些用于簡(jiǎn)化模型的規(guī)范化假設(shè)。他說(shuō)：“我們之前就知道有些假設(shè)是錯(cuò)的，現(xiàn)在蓋亞讓我們知道錯(cuò)在哪里。”

　　繪制銀河系的陰暗面

　　為銀河系中的明亮天體繪制地圖或許還有助于搞懂暗物質(zhì)，暗物質(zhì)可能占到了銀河系質(zhì)量的90%。理論學(xué)家懷疑銀河系外部有一個(gè)龐大的近球形暗物質(zhì)暈，和普通物質(zhì)一樣，這些暗物質(zhì)在引力作用下聚集成了較小的結(jié)構(gòu)。宇宙學(xué)模擬顯示，有成千上萬(wàn)個(gè)大型暗物質(zhì)團(tuán)繞著銀河系轉(zhuǎn)動(dòng)，有的會(huì)被中央的暗物質(zhì)團(tuán)吞噬，整個(gè)過(guò)程類似于銀河系吞噬其它可見(jiàn)小衛(wèi)星的過(guò)程。

　　大部分暗物質(zhì)子結(jié)構(gòu)被認(rèn)為只包含少量恒星或沒(méi)有恒星，因而極難被探測(cè)到。但蓋亞可能在GD-1中發(fā)現(xiàn)了一些蛛絲馬跡，GD-1是2006年發(fā)現(xiàn)的占據(jù)一半北部天空的長(zhǎng)星流。這個(gè)星流已被研究過(guò)很多次，但蓋亞讓Price-Whelan和哈佛-史密松森天體物理中心的天文學(xué)家Ana Bonaca更加有信心地找到了星流的真正成員。去年11月，他們與其他兩位同事確定了GD-1的結(jié)構(gòu)特征，他們發(fā)現(xiàn)該星流有一個(gè)很大的缺口，可能是約5億年前與一個(gè)大型天體碰撞后留下的傷痕。當(dāng)這一假設(shè)的干擾天體加速穿過(guò)星流時(shí)，其引力對(duì)一些恒星的牽扯可能導(dǎo)致星流分離，使得這些恒星跑到了同伴的前頭。

　　Bonaca認(rèn)為最有可能的罪魁禍?zhǔn)卓赡苁且粋�(gè)致密的暗物質(zhì)團(tuán)，這個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)的質(zhì)量約為太陽(yáng)的100萬(wàn)倍到1億倍。這一估算可能會(huì)對(duì)暗物質(zhì)的物理建模產(chǎn)生重要影響。暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量有助于判斷暗物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)速度，反過(guò)來(lái)就能推算出它能形成的暗物質(zhì)團(tuán)的大小。Bonaca說(shuō)這個(gè)擾動(dòng)GD-1的暗物質(zhì)團(tuán)的潛在質(zhì)量范圍很有意思，或?qū)⒛芘懦�一些質(zhì)量較小的假設(shè)的暗物質(zhì)候選者。

　　Bonaca和她的團(tuán)隊(duì)希望能通過(guò)蓋亞的數(shù)據(jù)測(cè)定星流中受到擾動(dòng)的恒星的速度，這樣或許能確定假設(shè)的暗物質(zhì)團(tuán)的移動(dòng)軌道。他們?nèi)绻�能找到這個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)如今所在的位置，就有可能探測(cè)出它對(duì)其它物質(zhì)的引力作用�；蛘撸�通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)訓(xùn)練γ射線望遠(yuǎn)鏡尋找暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的證據(jù)——這類過(guò)程通常能釋放高能光子。無(wú)論使用哪種方法，都是對(duì)暗物質(zhì)物理特性的一次更直接的探測(cè)。

　　但Price-Whelan仍表示從單一例子中無(wú)法推斷出太多信息。他希望利用蓋亞星表和未來(lái)觀測(cè)結(jié)果(如智利的大口徑全景巡天望遠(yuǎn)鏡(LSST)將于2020年后開始收集數(shù)據(jù))開展系統(tǒng)性研究，可以讓更多暗星和其他星流浮出水面。如果其他星流中也存在與暗物質(zhì)團(tuán)碰撞過(guò)留下的痕跡，天文學(xué)家就能對(duì)暗物質(zhì)團(tuán)的豐度和大小有更深入的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而幫助確定暗物質(zhì)的性質(zhì)。

　　天文學(xué)家希望蓋亞收集的關(guān)于恒星運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)能幫他們勾勒出銀河系陰暗面的大致輪廓。銀河系暗物質(zhì)暈的球形或?qū)ΨQ性也各有差異，具體取決于形成暗物質(zhì)暈的粒子類型。Belokurov相信在未來(lái)2-4年內(nèi)，蓋亞收集的關(guān)于局域恒星軌道的信息足以讓科學(xué)家確定暗物質(zhì)暈的總質(zhì)量和形狀。

　　這類研究結(jié)果不僅僅能用于挖掘銀河系的歷史，有關(guān)銀河系歷史和暗物質(zhì)分布的研究發(fā)現(xiàn)將被反過(guò)來(lái)填充宇宙學(xué)模型——用于探索宇宙大結(jié)構(gòu)發(fā)展變化。目前，蓋亞任務(wù)已被批準(zhǔn)延長(zhǎng)至2020年底，荷蘭萊頓大學(xué)的天文學(xué)家Anthony Brown是蓋亞任務(wù)數(shù)據(jù)處理和分析聯(lián)盟主席，他認(rèn)為蓋亞工作到2024年不是問(wèn)題，也就是一共10年的服役期。他說(shuō)，延長(zhǎng)任務(wù)應(yīng)可以讓蓋亞對(duì)當(dāng)前追蹤的恒星的自行測(cè)量精度提高3倍，甚至還能帶來(lái)更遙遠(yuǎn)的恒星的信息。

　　蓋亞的歷史功績(jī)尚待書寫，但所有跡象都顯示，那將是一項(xiàng)偉大的功績(jī)。SDSS等采集的全空探測(cè)數(shù)據(jù)，即使在使命完成10多年后，仍在產(chǎn)生源源不斷的新發(fā)現(xiàn)。隨著蓋亞星表的不斷擴(kuò)容和完善，Helmi 期待能進(jìn)一步揭開銀河系的演化歷史。“最讓我激動(dòng)是，”她說(shuō)，“我們對(duì)銀河系歷史的了解才剛剛開始。”