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科技日报|银河系翘曲身材或源自星系碰撞 太阳是“事故”留下的伤痕

银河系翘曲身材或源自星系碰撞 太阳是“事故”留下的伤痕
本报采访人员 赵汉斌
早在上世纪50年代 ， 人们就已发现银河系并不是一个平坦的圆盘 ， 而是如翘曲的炸薯片 ， 越是边缘越翘 ， 这大大超出了传统认知 。 2019年 ， 我国科学家首次给出了银河系翘曲结构的直观三维地图 ， 引得70多个国家的上千家科学媒体关注 。
然而 ， 关于为什么银河系会这样“翘” ， 长期以来有种种假说 ， 莫衷一是 。 最近 ， 《自然·天文学》期刊的一篇论文 ， 再次将人们的目光聚焦到这个问题上 。 研究显示 ， 银河系的翘曲结构 ， 或许与某一星系的碰撞有关 。 新的研究 ， 也为科学家们探寻银河系的形成和演变 ， 揭开浩瀚宇宙的更多奥秘提供了新的视角 。
坚持不懈“看清”银河系
“银河宛转三千曲 ， 浴凫飞鹭澄波绿 。 ”这是宋代著名词人周邦彦对银河系的描述 。
自古以来 ， 夜空中美丽的银河光带 ， 引发了人们无数的想象 ， 许多诗句和神话也由此传出 。 然而由于客观条件的限制 ， 古人对银河的认识 ， 并无太多科学依据 。
直到1609年冬 ， 伽利略首次通过望远镜观测发现 ， 银河由密密麻麻众多暗星集聚而成 ， 并非是一片发光的薄云 。 1750年 ， 英国人莱特提出 ， 银河系内所有恒星构成了一个巨大的扁平圆盘状系统 ， 这是天文学家对银河系主体具有盘状外形的首次描述 。 此后 ， 英国天文学家威廉·赫歇尔花了十多年的时间 ， 用望远镜对银河系进行了1083次观测 。 在此基础上 ， 他提出若干理论假设 ， 建立了天文学历史上的第一个银河系模型 ， 不仅证实了银河系的客观存在 ， 同时也是继哥白尼日心说之后 ， 天文学历史上的又一个重要里程碑 ， 赫歇尔也因此被誉为“恒星天文学之父” 。 人类的视野也随之从太阳系拓展到更为深邃的银河系 。
科学家认为 ， 由于角动量守恒 ， 许多星系在形成的过程中都会呈现出一种扁平的结构 ， 因此认定银河系也当如此 ， 类似于一个巨大的扁平银盘 。 但事实上 ， 据大量观测表明 ， 大约三分之一的河外盘星系都或多或少地呈现出翘曲形状 。 1957年 ， 天文学家通过观测发现 ， 在银盘外缘、银心距大于4万光年的地方 ， 中性氢(HI)气体并非对称分布于银道面的两侧 ， 而是表现出像裙摆那样翘起的所谓“翘曲结构” ， 这一结果很快被后续多项更详细的研究所证实 。
2019年2月 ， 中国科学院国家天文台的陈孝钿、邓李才研究组和北京大学王舒研究组等 ， 基于经典造父变星构建了一个稳健的银河系盘模型 ， 给出了银河系翘曲结构的直观三维形象 ， 再次刷新了人们对银河系的认知 。 他们发现 ， 距离银河系中心越远 ， 造父变星就越偏离银盘面 ， 整体呈“S”形；同时 ， 从银心向外的翘曲呈现出复杂的进动现象 ， 这也对揭示银河系外盘起源提供了决定性的观测证据 。
半人马座矮星系嫌疑最大
那为何银河系的形状并不是规则的圆盘 ， 而是总体呈翘曲形状呢？为了弄清楚银河系的奥秘 ， 欧洲航天局部署了一项宇宙科学任务 。
2013年12月19日 ， 盖亚空间望远镜在法属圭亚那成功发射升空 ， 飞往距地球150万公里的拉格朗日L2点——这也是太阳和地球引力的平衡点之一 ， 在太阳与地球连线外侧 ， 由于背对太阳受干扰较少 ， 适合安放太空望远镜等空间探测设备 。 这个太空新成员的使命是观测银河系中约10亿颗恒星的位置和运动 ， 绘制迄今最精确的银河系三维地图 ， 希望能够帮助解答有关银河系起源和演化的问题 。
“通过盖亚空间望远镜 ， 人们进一步证实了以前认为是水平的银河系银道面 ， 实际上是一种一头高、一头低的翘曲结构 。 太阳系所在位置的银盘厚度约为500光年 ， 太阳位置以外翘曲的程度大约是偏离银道面4500光年 ， 在对应另外一端银盘的厚度大约是3000光年 。 ”中国科学院云南天文台高级工程师陈东向科技日报采访人员介绍说 。
这项新研究的主要作者、意大利都灵天体物理观测站博士生埃洛伊萨·波乔在给欧洲航天局的一份声明中称：“我们通过模型对数据进行了比较 ， 以此来测量翘曲的速度 。 根据模拟结果 ， 这一翘曲将在6到7亿年内绕银河系中心完成一次旋转 。 ”相比之下 ， 太阳绕银河系运行大约需要2.2亿年 。
“此前有人提出 ， 暗物质、磁场等或是造成这种翘曲结构的原因 ， 但是后来发现 ， 暗物质等因素无法解释这种结构在未来6到7亿年内的运动速度 ， 并且这个速度貌似还在随时间变化 。 ”陈东说 。
于是 ， 科学家提出了一个令人难以置信的猜想：翘曲结构或许源自银河系与其他星系的碰撞 。 可如果翘曲结构真的与星系碰撞有关 ， 那到底是哪个星系跟银河系曾经有过“亲密接触”呢？
陈东打了一个形象比方：“目前一种最自洽的解释 ， 是银河系附近大质量矮星系的碰撞引起了空间扭曲——这种情况类似在平静的水面上漂浮着一个球 ， 我们将一块石子投到漂浮小球的水面附近 ， 水面因石子的投入而产生涟漪 ， 上下震荡 ， 带动漂浮水面的小球也上下震荡 。 ”他认为 ， 银河系的一个卫星星系——半人马座矮星系嫌疑最大 。 此前的研究表明 ， 它的确曾经几次纵穿银河系圆盘 ， 而且可能正在被银河系吸收 。
陈东认为 ， 此种碰撞对两个星系内的天体均有很大影响 。 因为天体正面相撞的几率非常小 ， 这种影响主要集中在运动轨道的改变、局部物质密度的扰动等方面 。 盖亚空间望远镜的观测数据表明 ， 大约在62亿年至42亿年前 ， 人马座矮星系和银河系初次相撞 ， 导致了银河系内气体物质的扰动 。
当然 ， 到底是不是半人马座矮星系的碰撞引起了银河系外围的结构变化 ， 目前仍是一个谜 ， 科学家们还将对此展开更深入的研究 。 为此 ， 盖亚空间望远镜研究小组透露 ， 可能在2020年或2021年 ， 他们还将提供一批新的数据 ， 希望在那时能够“还原事实真相” 。
3次碰撞“孕育”恒星
盖亚空间望远镜收集的数据 ， 不仅揭示了人马座矮星系对银河系的影响 ， 碰撞产生的涟漪似乎引发了主要的恒星形成事件 ， 其中太阳的形成与我们息息相关 。
此次研究团队的天体物理学家托马斯·鲁伊斯·劳拉介绍 ， 他们的一项新研究揭示了57亿年前的银河系往事——银河系或与半人马座矮星系发生过3次碰撞 ， 第一次碰撞就产生了太阳 ， 因为太阳的年龄与因半人马座矮星系碰撞效应而形成的恒星年龄一致 。
在对盖亚空间望远镜传回的大量数据进行研究以后 ， 他们将银河系内大量恒星的光度、距离和颜色 ， 与现有的恒星演化模型进行了详细对比 ， 发现在过去大约60亿年的时间里 ， 银河系恒星的形成主要集中在三个时期 ， 并在57亿年前、19亿年前以及10亿年前达到峰值 ， 而这恰好就是银河系与半人马座矮星系碰撞的时间点 。
【科技日报|银河系翘曲身材或源自星系碰撞 太阳是“事故”留下的伤痕】该团队认为 ， 这并不是巧合 ， 而是大有因果关系 。 托马斯认为 ， 在这段时间里 ， 银河系本身是比较稳定的 ， 但半人马座矮星系的到来 ， 打破了这种平衡 ， 所产生的“涟漪”会导致银河系的某些区域出现较高的物质密度 ， 而在另一些区域里的物质则会变得稀疏 ， 在引力的作用下 ， 气体和尘埃就会开始大量聚集 ， 并最终形成耀眼的恒星 ， 太阳正是其中一颗 。


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