銀河系揭秘

編譯 吳青

在清朗夜空下，抬頭可見銀河璀璨。壯麗無(wú)比的銀河系，其實(shí)是星球、塵埃和氣體旋轉(zhuǎn)組合在一起的結(jié)果。人們自古以來(lái)就對(duì)夜空中的群星感興趣，但對(duì)銀河系的科學(xué)認(rèn)識(shí)直到最近才正式開始。

銀河結(jié)構(gòu) 精細(xì)復(fù)雜

螺旋星系（示意圖）

銀河系結(jié)構(gòu)（示意圖）

銀河系得名是因?yàn)槲覀儚牡厍蛏夏芸匆娨箍罩谐蕩蠲芗植嫉娜盒?，但?shí)際上銀河系是把我們完全包圍的一個(gè)超巨大結(jié)構(gòu)。地球夜空中的每顆星（包括太陽(yáng)）都是它的一部分。早在伽利略時(shí)期，人們就認(rèn)識(shí)到銀河系是旋渦狀的。2020 年，中外科學(xué)家繪制出最精確的銀河系結(jié)構(gòu)圖，明確了銀河系是一個(gè)具有四條旋臂的棒旋星系。

銀河系的精細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)歷經(jīng)數(shù)十億年才演化出來(lái)。銀河系中央有一個(gè)非常古老的凸起，其中包含銀河系中大多數(shù)的古老恒星，它們是我們所在宇宙部位最初形成的恒星的殘余。而在這個(gè)凸起的正中，有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，這個(gè)黑洞是銀河系的核心。在這個(gè)凸起的周圍有一些主要由古老恒星組成的巨大棒狀結(jié)構(gòu)，正是它們?cè)谕苿?dòng)銀河旋臂。

也許你會(huì)問：我們處在銀河系的什么位置？科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)知道，太陽(yáng)位于銀河系中心和旋臂外端中間的位置。但這是太陽(yáng)現(xiàn)在的位置。事實(shí)上，銀河系的優(yōu)雅結(jié)構(gòu)正是銀河系動(dòng)態(tài)歷史的證據(jù)，太陽(yáng)在此過(guò)程中的位置也在變化。既然我們身處銀河系內(nèi)部，那么怎樣才能觀測(cè)整個(gè)銀河系，探索它的歷史？能夠?qū)崿F(xiàn)的辦法是，我們必須能看到很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的地方。

銀河系黑洞（示意圖）

哈勃升空 銀河現(xiàn)形

有關(guān)銀河系形成機(jī)制的線索直到20 世紀(jì)90 年代才浮現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，主鏡直徑為2.4 米的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱哈勃）升空，它不僅可以觀察銀河系，還可以觀察比銀河系還遠(yuǎn)很多的深空。哈勃能捕捉從很遠(yuǎn)之外的星系發(fā)出的光線，這相當(dāng)于能夠讓我們回到過(guò)去，更清楚地看見不同的星系和早期的宇宙。

為了讓我們“回到過(guò)去”，哈勃曾一連11 天“凝視”宇宙中一個(gè)小小的區(qū)域。通過(guò)哈勃的超深視場(chǎng)，我們才能看見宇宙中的各種星系。哈勃發(fā)現(xiàn)，宇宙中的星系數(shù)量以萬(wàn)億計(jì)，星系形態(tài)復(fù)雜多樣，有正以快得難以想象的速度產(chǎn)生恒星的星暴星系，也有質(zhì)量不到銀河系萬(wàn)分之一的矮星系，而矮星系是宇宙中最常見的星系。

星爆星系

哈勃的發(fā)現(xiàn)告訴我們，星系形成于宇宙極為活躍的時(shí)期，也就是宇宙剛開始形成后不久。在銀河系形成之前，太空中有很多被稱為“宇宙網(wǎng)”的巨大結(jié)構(gòu)。氫氣和氦氣沿著宇宙網(wǎng)中的巨大暗條聚集，而宇宙網(wǎng)本身由神秘的暗物質(zhì)構(gòu)成。

哈勃望遠(yuǎn)鏡

哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的銀河系照片

創(chuàng)生星系 靠暗物質(zhì)

宇宙網(wǎng)（模擬圖）

暗物質(zhì)有引力，且不發(fā)出光線。在銀河系中，暗物質(zhì)占據(jù)絕大部分質(zhì)量。我們至今仍不清楚暗物質(zhì)究竟是什么物質(zhì)，但已經(jīng)知道星系需要以暗物質(zhì)作為“膠水”來(lái)讓自己保持完整。第一批恒星是在宇宙網(wǎng)暗條交叉處暗物質(zhì)最密集的地方形成的。在這些地方，被暗物質(zhì)引力吸引來(lái)的大量氣體堆積，然后在自身引力下坍縮，導(dǎo)致恒星誕生。由此產(chǎn)生的數(shù)萬(wàn)億顆恒星被引力聚集在一起，環(huán)繞一個(gè)共同的質(zhì)量中心，星系就是這樣來(lái)的。從這個(gè)意義上說(shuō)，是暗物質(zhì)創(chuàng)生了星系。

銀河系是宇宙中最早形成的星系之一，最初的銀河系是被一條不可見的暗物質(zhì)環(huán)包圍的、由氣體和恒星組成的旋轉(zhuǎn)盤。在當(dāng)時(shí)的宇宙中，正在形成的星系有幾千億個(gè)，其中幾十個(gè)非?？拷y河系。隨著時(shí)間推移，引力讓這些星系更加靠近，共同組成本星系群。銀河系的本星系群位于一個(gè)引力鎖定區(qū)域，也就是說(shuō)，因?yàn)槭鼙舜艘τ绊?，這些星系互相靠得很近，以致一些星系最終會(huì)碰撞、合并成一個(gè)更大的星系。

蓋亞升空 精準(zhǔn)測(cè)距

蓋亞探測(cè)器（示意圖）

在銀河系形成30 億年后，“銀河”出現(xiàn)在銀河系中首批行星的夜空中，但當(dāng)時(shí)銀河系恒星數(shù)量?jī)H為今天的一半，而且當(dāng)時(shí)銀河系的形狀沒有今天規(guī)則。那么，銀河系怎么會(huì)有旋臂？為了解答這個(gè)問題而發(fā)射的蓋亞探測(cè)器（簡(jiǎn)稱蓋亞）可以直接觀察銀河系，并且可以測(cè)量恒星之間的實(shí)際距離。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，蓋亞的設(shè)計(jì)者為蓋亞設(shè)計(jì)了非常長(zhǎng)的運(yùn)行軌道，因此蓋亞能在不同點(diǎn)位觀測(cè)同一顆恒星，這被稱為視差測(cè)量。為了完成視差測(cè)量，蓋亞飛到了距離地球160 萬(wàn)千米的地方。它的任務(wù)包括為銀河系中的10 億顆恒星定位，這些恒星中有一半是首次被定位，因?yàn)樵谏w亞之前，科學(xué)家只能通過(guò)銀河系的圖像來(lái)推測(cè)恒星位置。

蓋亞是第一部能精確定位恒星的探測(cè)器。那么，它是怎樣做到這一點(diǎn)的？首先，它飛到一個(gè)遙遠(yuǎn)的引力平衡位置——L2。在這個(gè)引力穩(wěn)定的地方入軌，它只需很少的燃料就能讓自己保持穩(wěn)定，以保留足夠的燃料讓自己在一個(gè)大軌道中環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行。只需要噴射很少的氮推進(jìn)劑，蓋亞的望遠(yuǎn)鏡就能一天完成4 次順暢的360°旋轉(zhuǎn)，讓它每小時(shí)能進(jìn)行超過(guò)150 萬(wàn)次觀測(cè)。由此，只花了4 個(gè)月時(shí)間，它就把整個(gè)天空觀測(cè)了一遍。

蓋亞會(huì)采集宇宙中格外明亮的星體的數(shù)據(jù)，這些星體分布在從銀河系中心到暗物質(zhì)環(huán)再到環(huán)外的各個(gè)地方。在軌道中運(yùn)行數(shù)百萬(wàn)千米后，蓋亞完成了各恒星的多方位觀測(cè)。在蓋亞對(duì)宇宙進(jìn)行了近兩年不間斷的掃描后，科學(xué)家運(yùn)用三角測(cè)量法確定了超過(guò)10 億顆恒星的位置，從而得到了迄今為止最精確的銀河系地圖——蓋亞地圖。

疑點(diǎn)浮現(xiàn) 究竟為何

蓋亞的探測(cè)數(shù)據(jù)讓科學(xué)家能立體地觀察銀河系，這種視角是前所未有的。在這之前，研究銀河系的方法是通過(guò)電腦模擬和根據(jù)近似數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)推測(cè)。這種傳統(tǒng)方法誤差較大，而蓋亞則能辨明幾千光年外的恒星在星團(tuán)中的相對(duì)位置。

銀河系本星系群（示意圖）

蓋亞不僅能精確測(cè)量天體位置，而且能觀測(cè)天體的移動(dòng)。也就是說(shuō)，蓋亞除了能對(duì)空間進(jìn)行立體測(cè)繪外，還能捕捉另一個(gè)維度——時(shí)間的信息，這是蓋亞反復(fù)環(huán)繞太陽(yáng)的結(jié)果。蓋亞有助于我們推算，恒星接近或遠(yuǎn)離地球的速度，這對(duì)于了解天體隨時(shí)間的演化情況非常必要?？茖W(xué)家一旦知道恒星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就能運(yùn)用牛頓力學(xué)算出恒星運(yùn)動(dòng)方向，也可以根據(jù)恒星運(yùn)動(dòng)倒推恒星原來(lái)的位置。這一極具創(chuàng)新性的科學(xué)領(lǐng)域被稱為星系考古。

蓋亞的新探測(cè)數(shù)據(jù)有助于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀河系與銀河系本星系群之間的交互模式。通過(guò)了解銀河系的相鄰星系，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系并非靜止不動(dòng)。在引力的作用下，有的星系會(huì)相互靠近，有的則會(huì)相互遠(yuǎn)離。形象地說(shuō)，引力讓不同的星系“共舞”。

應(yīng)該說(shuō)，蓋亞才剛開始揭示星系“共舞”的復(fù)雜步驟。當(dāng)蓋亞向地球傳回首批數(shù)據(jù)后，科學(xué)家通過(guò)分析它們獲得一個(gè)很奇怪的發(fā)現(xiàn)：銀盤上一些恒星的旋轉(zhuǎn)方向與絕大多數(shù)恒星的相反。這意味著，銀河系中的恒星可能并非都誕生在銀河系中，而可能是來(lái)自其他星系。

星系碰撞 銀河變大

如果我們能回到100 億年前，站在銀河系早期形成的某顆行星上，就會(huì)看見天空中一個(gè)非常壯麗的場(chǎng)面——數(shù)十億顆恒星向我們飛來(lái)，這是因?yàn)殂y河系即將與本星系群中的一個(gè)星系——蓋亞-恩克拉多斯相撞。大小只有銀河系1/4 的蓋亞-恩克拉多斯被銀河系吸引，同時(shí)也將給銀盤造成混亂。

星系合并（哈勃圖像）

聽起來(lái)，星系碰撞很猛烈。但實(shí)際上，星系碰撞優(yōu)雅得讓人難以置信，這是因?yàn)樾窍抵械拇蟛糠謪^(qū)域空空如也。當(dāng)星系碰撞時(shí)，兩個(gè)星系就像幽靈般相互穿過(guò)，發(fā)生恒星相撞的可能性很低。受星系引力影響，兩個(gè)相撞的星系開始“共舞”：一個(gè)星系先奔向另一個(gè)星系，然后退回來(lái)。這好像是天空芭蕾。

但星系碰撞會(huì)改變星系結(jié)構(gòu)，讓恒星改變軌道，把氣體推到其他地方。推動(dòng)星系碰撞的背后動(dòng)因仍然是暗物質(zhì)。星系間的引力很大程度上由暗物質(zhì)決定，因此暗物質(zhì)也決定星系碰撞的強(qiáng)度，決定碰撞后星系的結(jié)構(gòu)。在銀河系形成了僅僅幾十億年后，其質(zhì)量就已比蓋亞-恩克拉多斯大許多。這樣一來(lái)，銀河系的引力就徹底壓制了這個(gè)鄰居。

由此，科學(xué)家首次證實(shí)銀河系是逐漸變大的。

蓋亞-恩克拉多斯星系與銀河系

太陽(yáng)起源 會(huì)在他鄉(xiāng)？

為了查明太陽(yáng)系為什么會(huì)在今天的位置上，科學(xué)家又開始追蹤另一個(gè)不尋常星群的歷史。以一條壯觀的軌跡環(huán)繞銀盤的這個(gè)星群，被叫作人馬座星流。它是受銀河系引力影響而延伸在夜空中的一個(gè)巨大的潮汐星流。這個(gè)星群得名于直到20 世紀(jì)90 年代才被發(fā)現(xiàn)的人馬座矮星系，而該星系的大部分都是延展的兩個(gè)星流，一前一后，延展距離可能達(dá)10 萬(wàn)光年。那么，這些星流為什么會(huì)如此分布？

因?yàn)橛猩w亞的探測(cè)，科學(xué)家得以確定人馬座星流中恒星的運(yùn)動(dòng)方向和速度。由此他們首次發(fā)現(xiàn)，人馬座星流其實(shí)是一個(gè)矮星系，是人馬座矮星系墜入銀河系的潮汐殘余。通過(guò)探索人馬座星流中的恒星，科學(xué)家認(rèn)識(shí)到這場(chǎng)星系碰撞的歷史：人馬座矮星系在運(yùn)行過(guò)程中逐漸靠近銀河系，最終人馬座矮星系中的恒星開始脫離該星系；當(dāng)人馬座矮星系經(jīng)過(guò)銀盤時(shí)，在銀盤中砸出一個(gè)洞，于是人馬座矮星系中的恒星最終變成人馬座星流。

銀河系運(yùn)轉(zhuǎn)（示意圖）

人馬座矮星系穿越銀河系（示意圖）

人馬座星流（示意圖）

可以說(shuō)，是個(gè)頭小得多的人馬座矮星系“侵?jǐn)_”銀河系才產(chǎn)生了人馬座星流，這與蓋亞—恩克拉多斯和銀河系的相撞相似。不過(guò)，人馬座矮星系與銀河系相撞的時(shí)機(jī)很有趣，因?yàn)檫@一相撞發(fā)生在太陽(yáng)系剛剛誕生以后。碰撞后，人馬座矮星系幾乎毀滅，而銀河系中被注入大量新鮮的低溫氣體。

恒星的形成基本上離不開低溫氣體。人馬座矮星系給銀河系帶來(lái)的最重要的氣體是氫氣。星系中有很多氫氣，雖然肉眼看不見它們，但科學(xué)家能利用射電望遠(yuǎn)鏡通過(guò)觀測(cè)氣體輻射確定其存在。沒有氫氣，就不可能形成恒星。宇宙誕生后很快就有了氫氣，氫氣始終分布在整個(gè)銀河系中，只是分布不均勻。在銀河系中的一些地方，密集的氫云團(tuán)延伸長(zhǎng)度達(dá)50 萬(wàn)億千米。科學(xué)家稱這些地方為“恒星產(chǎn)房”。在這些地方，溫度低得足以讓氫氣凝結(jié)。

恒星產(chǎn)房是所有星系中最大、最冷也最暗的區(qū)域，它們可能會(huì)發(fā)出微光，但這些地方也極度狂亂，磁場(chǎng)強(qiáng)度極高，帶電粒子四處橫行。氫被譽(yù)為宇宙的血液。在恒星中心，氫聚變成氦，這一過(guò)程會(huì)釋放能量，導(dǎo)致恒星發(fā)光。

一個(gè)恒星產(chǎn)房（圖片長(zhǎng)度代表3 光年距離）

巨型飛船來(lái)到恒星產(chǎn)房地帶（科幻圖）

人馬座矮星系撞上銀河系，給銀河系恒星產(chǎn)房帶來(lái)了更多氫，引發(fā)了一輪新的恒星誕生潮。這個(gè)時(shí)期恰好是在46 億年前太陽(yáng)誕生時(shí)。也就是說(shuō)，太陽(yáng)的形成有可能得益于人馬座矮星系與銀河系的“相會(huì)”。

雖然人馬座矮星系很小，其影響卻很大。它在銀河系中多次進(jìn)出，與銀河系復(fù)雜地糾結(jié)在一起，銀河旋臂形成也可能與之有關(guān)。然而，它的影響迅速消退，這是由于它在碰撞過(guò)程中幾乎毀滅，最終它被銀河系中心幾乎完全兼并，只留下少許痕跡。

恒星演化（示意圖）

未來(lái)銀河 面目全非

仙女座圖像

當(dāng)我們仰望夜空，很容易會(huì)以為銀河系是靜止的。然而，一個(gè)人甚至整個(gè)人類、整個(gè)地球的生命史在漫長(zhǎng)的宇宙歷史中就連一個(gè)瞬間都算不上。由于哈勃和蓋亞的貢獻(xiàn)，科學(xué)家終于知道銀河系并非靜態(tài)，而是經(jīng)歷過(guò)、并將繼續(xù)經(jīng)歷碰撞和合并。

但人類很偉大。我們對(duì)銀河系及其動(dòng)態(tài)歷史了解越多，就會(huì)越覺得不可思議：我們只環(huán)繞一顆恒星——太陽(yáng)，卻能弄明白銀河系的歷史。不僅如此，現(xiàn)在我們還準(zhǔn)備揭示銀河系的終極命運(yùn)。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，銀河系與其他星系的碰撞并非罕見。那么下一次這樣的碰撞會(huì)怎樣？在宇宙圖像上，哪怕一個(gè)很小的點(diǎn)也可能代表一個(gè)巨大的星系。例如，距離我們254 萬(wàn)光年的仙女座星系在宇宙圖像上就只是一個(gè)很小的點(diǎn)。哈勃拍攝了該星系的多幅圖像。與銀盤相比，仙女座星系似乎微不足道，但實(shí)際上它是銀河系本星系群中最大的星系。它也是一個(gè)螺旋星系，也在其漫長(zhǎng)歷史中吞噬過(guò)多顆小行星。

哈勃拍攝的圖像表明，哪怕在仙女座星系的一個(gè)小小區(qū)域，也有上億顆恒星。你可能會(huì)以為，如此看來(lái)仙女座星系和銀河系很相似。然而，仙女座星系比銀河系還大一半。不僅如此，仙女座星系正以每小時(shí)大約40 萬(wàn)千米的速度朝著我們飛來(lái)。在大約45 億年后，它將與銀河系相撞，屆時(shí)銀河系很可能將面目全非。

如果有人有幸目睹這場(chǎng)碰撞，那么將非常驚奇地看見恒星形成潮像焰火般點(diǎn)亮天空，隨后天空逐漸黯淡下來(lái)。與之前其他星系和銀河系的碰撞不同，由于銀河系這次是相對(duì)弱者，因此兩者會(huì)互相牽動(dòng)、擾亂對(duì)方的旋臂，兩者原有的結(jié)構(gòu)都會(huì)改變，旋臂合并成極大的一個(gè)恒星群。

電腦模擬結(jié)果是，雖然這兩個(gè)星系都將被消滅，但新恒星周圍會(huì)形成新行星，其中會(huì)有像地球一樣的行星。那時(shí)候，這些行星上的生命可能會(huì)發(fā)出和人類相同的疑問：我們來(lái)自哪里？我們?cè)谛窍抵械牡匚辉鯓?？我們的未?lái)會(huì)怎樣？

讓我們把目光放得更遠(yuǎn)：銀河系附近本星系群中所有的星系最終都將合并成一個(gè)巨大的星系，孤獨(dú)游弋。隨著宇宙膨脹，星系群之間的距離越來(lái)越大，很多星系將因此淡出視野。

雖然科學(xué)家對(duì)銀河系的了解越來(lái)越深入，但宇宙奧秘依然無(wú)窮無(wú)盡：宇宙中有其他生命嗎？宇宙從古至今是否有過(guò)其他生命，或者將來(lái)是否會(huì)出現(xiàn)其他生命？什么是暗物質(zhì)？什么是暗能量？暗能量怎樣影響宇宙，尤其是怎樣影響銀河系和太陽(yáng)系？

我們希望知道這些問題的答案，希望了解自己的起源和最終命運(yùn)，因?yàn)槲覀兿矚g探索奧秘，而宇宙當(dāng)然是最大的奧秘。

銀河系在遙遠(yuǎn)未來(lái)可能會(huì)與仙女座相撞（示意圖）