互动科普

银河系在形成早期，曾吞食了很多小型星系。而在这一过程中形成的“化石”，如今成为天文学家努力搜寻的对象，因为它们能够帮助科学家弄清楚宇宙是如何形成的。

事实上，银河系本身不是一个简单的星系：最近的研究表明，在银河系的演化过程中，它吸引并吞噬了许多较小的星系，从而将这些小星系的恒星融合进了银河系。现在，研究人员已知的、绕银河系运动的矮星系至少有20个，这些星系的大小从银河系的百万分之一到百分之一不等，可能还有几十个这类矮星系尚未被发现。过去，这类卫星星系曾有很多，除了现在剩余的这些，其余大部分在很久以前已被银河系的引力“吞并”了。银河系在很年轻、体积很小时，就开始吞并过程了，这一过程一直持续到了今天。而现存的这些卫星星系，最终也会被吞食。

小星系被吞食很久之后，这些银河系引力作用的受害者会留下横跨天空的暗弱星流（star streaming）。一个相对较新的研究领域出现了——银河系考古（galactic archaeology），在过去的15年中，该领域的研究人员已发现了许多星流。通过研究这些来自过去的银河系的“化石”，银河系考古学家正在拼合出银河系历史事件的细节，获得其他旋涡星系（spiral galaxy）形成和演化的线索。

对于星系研究来说，最理想的情况是，同时从外部和内部来研究。但对于我们自身所在的银河系，却做不到这一点。不过，身处银河系内部的我们能以近距离视角观察，利用这一优势，我们可以得到一些详细信息，而从外部观测其他星系，是无法获得这类信息的。

通过这一领域的研究，科学家已经确认，银河系和其他星系是通过怎样的过程逐渐变大的。他们发现了多条来自早已消失的卫星系的星流，这证实了一个被广泛接受的理论：一开始银河系很小，它通过大规模吞并来增加质量，这一过程被称为等级式结构形成（hierarchical structure formation）。对这一理论的许多细节，研究人员现在还不完全清楚，但我们正在写下银河系的历史，过程虽然缓慢，真实性却毋庸置疑。

星系是如何形成的

星系形成的等级式理论认为，驱动银河系这类大型星系生长的主要动力，并非来自重子物质（baryonic matter，我们所见的恒星、气体和尘埃都属于重子物质，构成重子物质的粒子与构成你我的粒子相同）。包裹着星系的、巨大的暗物质晕，才是星系生长的真正动力。最先形成的是小型暗物质晕，然后逐渐聚集成较大的晕，进而驱动较大的星系吞食较小的星系。

今天，每个星系的暗物质晕，都要比普通可见物质的质量大很多倍，延伸的距离也远得多。有意思的是，尽管天文学家尚不知晓暗物质的本质（我们只能通过暗物质对其他物质的引力作用来了解它们），但对它们是如何聚集在一起的，我们却比较有信心，因为观测到的星系成团和相互作用概率，与暗物质成团模型所预言的结果很相符。星系形成过程中的谜题并不是暗物质，而是普通重子物质。这些重子物质由粒子组成，粒子的相互作用方式是已知的，我们在地球上就可以研究这些相互作用。

在星系的演化过程中，重子物质是如何发挥作用的？基本观点认为，这一作用是从暗物质晕开始的。暗物质晕会通过引力，吸引气体形式的普通物质向自己移动。当气体向暗物质晕的中心运动时，只要条件合适，它就会形成新的恒星。一些恒星到达生命终点时，就会爆炸，恒星原子重新回到星系内部和外部（有可能）的气体中，在剩余的气体和尘埃中，往往会引发新一代的恒星形成。银河系的中心（“核球”）和它的旋臂（“盘”），最有可能就是通过这种方式而形成的。

但银河系还有一个巨大球形结构（也被称为晕），该结构由更弥散的恒星所组成，围绕在核球和盘周围。很多恒星可能是星系闯入者，来自很久以前被摧毁的矮星系。根据星系形成的等级式理论，这些恒星进入银河系晕的过程是这样的：当一个矮星系环绕银河系时，银河系的引力会将它拽向银河系。矮星系离银河系越来越近，它受到的引力也越来越大。矮星系中靠近银河系一侧的物质（恒星、气体、尘埃和暗物质）所受到引力，会比远离银河系的一侧稍强一些。

因此，在矮星系和银河系连线的方向上，矮星系会被拉伸。这种拉伸作用是由潮汐力造成的。月球能引发地球海洋涨潮，其中蕴含的物理机制是相同的。与地球和月球相互作用不同的是，银河系施加在其卫星系上的潮汐力非常强大，大到能够将卫星系中的物质剥离出来——在这种情况下，矮星系中的恒星会被拽出来。一旦脱离了矮星系，恒星就会被银河系的引力所掌控，沿着一条与矮星系运行轨迹稍微不同的轨迹继续前行。随着时间的推移，这种微小的差异会使得被剥离出的物质逐渐扩散，这些物质变得更加分散并远离矮星系，最终形成星流。

这一理论图像非常合理，但在很长一段时间里，科学家缺少观测证据来证实其真实性。现在，他们找到证据了。研究人员发现了许多星流，这表明，数十亿年前，银河系还很年轻时，就开始吞食它的近邻了，时至今日，吞食过程仍在继续。虽然我们已看到的星流证据，主要来自银河系周围的矮星系，但在所有类似的旋涡星系周围，可能也会存在这类星流，只不过这些遥远的星流一般会非常暗弱，从远处无法观测到。

但是，等级式形成过程的许多细节仍然无法确定，例如，当银河系吞并大部分卫星系时，它吞食矮星系的频次是怎样的？需要花多久时间才能把矮星系中的恒星收归己有？要回答这些问题，天文学家必须要找到更多可供详细研究的星流，以及已解体星流的遗迹。

发掘银河系“化石”

天文学家会通过多种途径来寻找银河系中的星流。第一种也是最直接的方式是，我们可以寻找这样一些恒星团：其中的恒星与我们都有着相同的距离，并以带状形式排列。为此，我们需要一幅高质量的银河系恒星三维分布图，它可以在各个方向上，显示出尽可能多的恒星的距离和位置。

过去15年里，银河系考古学家已从斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）项目的数据中，得到了这幅图。利用位于美国新墨西哥州阿帕奇天文台（Apache Point Observatory）的专用望远镜，该项目建立了一个包含银河系8 000多万颗恒星的数据库，这些恒星所在范围覆盖了四分之一天区。恒星的距离、颜色和其他特征等信息也被记录了下来。数据库中包含的大量恒星，为寻找银河系过往的“化石”，提供了一个完美的“发掘场地”。

最初诞生于其他星系、随后被吞并进银河系的恒星所占比例很小，大约只占银河系中数千亿颗恒星数量的1%或更少。但“斯隆”数据库中记录了大量的恒星信息，其中闯入银河系的恒星数量大约有近100万颗，天文学家可以利用它们，寻找很久以前就已消亡的星系证据。通过这幅图，银河系考古学家还可以找到那些位于银晕中的恒星。在这些恒星中存在一些特殊区域，这些区域中的恒星密度比周围的更大，而且具有尾状结构，通过有针对性地寻找这种区域，研究人员就能辨别出星流。

我和美国加利福尼亚大学欧文分校的宇宙学家詹姆斯·布洛克（James Bullock）进行了计算机模拟，并在2005年发表了模拟结果，根据这一结果，天文学家大致可以知道，这些尾状结构看上去会是什么样子。利用对暗物质晕等级式形成的理解，结合潮汐力中的物理学知识，我们预言了银河系在形成过程中吞并很多矮星系后形成的星流大小和范围。

2003年，研究人员找到了第一个具有说服力的星流证据。当时，美国弗吉尼亚大学的史蒂夫·马耶夫斯基（Steve Majewski）领导的天文学家团队，利用2微米巡天（Two Micron All Sky Survey，在红外波段进行的一个类似“斯隆”的项目）获得的数据，发现了从银河系已知最近的卫星系——人马矮星系（Sagittarius dwarf galaxy）流出的巨型尾状结构。这些星流非常靠近人马矮星系的指定轨道，其中包含的恒星数量，和仍在人马矮星系中的几乎相当。星流的尾状结构非常长，可以完全环绕整个银河系。我们捕捉到了银河系“攻击”其最近邻居的行为。

在这之后，银河系考古学家从“斯隆”的数据库中又发掘出十几条围绕银河系的星流。根据人马座星流的长度，我们推断，在过去20亿～30亿年的时间里，人马座星流的恒星一直在流失。我们看到的其他星流也有着数十亿年的历史。这些发现表明，银河系在其早期历史中吞食星系的频率更高，此后由于可供“进食”的矮星系数量减少，这一频率才逐渐放缓。到目前为止，这些发现都与等级式形成理论的预言相一致。不过，已知的这些星流，可能只占所有星流的一小部分。银河系应该还有更多的星流，只是太过暗弱而暂时无法被看到——但通过它们，却可以更进一步地了解银河系的历史。

新的发掘工具

根据恒星的位置来寻找星流，会漏掉许多年龄较大的星流。因为恒星轨道的特性存在微小的差异，在数十亿年的时间里，这种差异会使星流变长、扩散，甚至消失，星流那些明显的结构特征也就不存在了。现在，天文学家正在利用其他的恒星特性，来寻找更为消散的星流和已完全解体的星流的遗迹。这些星流可以帮助研究人员探索银河系形成过程中最活跃的阶段，这一过程发生在100多亿年前，当时宇宙只有几十亿岁，宇宙中的大部分恒星已经形成。正是在此期间，数百个小型星系和星团簇拥到一起，形成了银河系。

要搜寻这些现已解体的星系遗迹，其中一条途径是，寻找那些具有相同轨道的恒星。经过长时间演化，星流中的恒星会变得过于分散，无法根据恒星的位置来识别它们是否曾属于同一星系，但是我们可以根据它们的运动来确定这一点，并了解它们是如何加入银河系的。这正是欧洲空间局于2013年12月发射的盖亚卫星（Gaia satellite）的众多科研目标之一。在接下来的4年内，“盖亚”将观测超过10亿颗恒星的距离、位置和运动情况，为银河系考古学家提供全新的数据集。这非常令人兴奋，不仅仅是因为盖亚卫星将要观测数量惊人的恒星，还因为它会从多个方面观测每颗恒星，而利用观测得到的信息，我们能够计算出完整的恒星轨道。因此，即便某些恒星在天空中的位置看起来毫无关联，我们也能从中识别出具有相似轨道特性的成员，它们最初可能都来自同一个星系。

还有一样东西，让恒星永远不能抹掉自己的出生地信息：它们的化学成分。探测恒星的化学成分，为发现星流提供了另一种潜在方法。在恒星的核心处会发生核聚变，在这一过程中轻元素会转变为重元素，通过这一过程，恒星会不断地改变其整体构成。但核聚变只发生在恒星密度和温度最高的中心区域，而恒星大气——这正是天文学家所测量的信息——则和其诞生时的气体完全相同。澳大利亚国立大学的天文学家肯尼斯·弗里曼（Kenneth Freeman）和悉尼大学的天文学家乔丝·布兰德-霍索恩（Joss Bland-Hawthorn）就打算使用这种完美的印记开展研究。他们并不是要寻找星流，而是要把具有相同“化学指纹”的恒星分组，将它们分别归入出生时所在的星团，不论这些恒星现在位于天空中的什么地方。

弗里曼和布兰德-霍索恩的这种使用单一化学标记的简单方法，无法判断恒星与某一矮星系的关系，因为星系本身所含有的恒星，可能就形成于有着不同化学成分的多个星团。然而，结合宇宙历史和恒星形成的特性，再利用类似的化学方法，也许能得到一些有关银河系吸积历史的信息。

首先，在一个给定星系中，相对于较早形成的恒星，较晚形成的恒星通常含有更多的重元素，因为对于较晚形成的恒星，其构成物质中含有非常多的前几代恒星的遗骸；其次，恒星遗骸增多的过程，恰好取决于气体流动，而气体流动则部分是由星系暗物质晕的引力来支配的。这两种效应表明，对于那些质量大致相当、在大致相同的时间被银河系吸积和摧毁的星系而言，它们向银河系“贡献”的恒星应该会有相同的化学构成——即这些恒星中，各种元素的含量应该是相同的。相反，星系质量不同、或者星系被吸积的时间有所不同，这些星系所贡献的恒星就会具有不同的化学构成。因此，银河系恒星的整体化学构成可以让我们识别，哪些恒星是在相似的时间、来自质量相似的星系，即使不是来自同一星系。

杜安·李（Duane Lee）仔细研究了这一想法，当时他是我的课题组中的一名研究生。他的初步研究表明，化学标记方法的灵敏度是非常高的，这种方法甚至可以揭示在银河系极早期就被摧毁的、最小的矮星系对银河系有什么影响。弄清楚哪一部分恒星是在哪一时期进入银河系的，我们就可以勾勒出银河系吞并恒星的过程，描述出银河系的吸积历史，进而追溯银河系最早期的情形。有两个研究组正在测量数百万颗恒星的化学构成，他们的数据可以用来解决这个问题。其中一个是由弗里曼和布兰德-霍索恩领导的研究组，他们开展的项目为银河系考古（GALactic Archaeology with HERMES，GALAH）巡天，目前该项目正处于试运行阶段；另一个则是开始于2011年的阿帕奇天文台银河系演化实验（APO Galactic Evolution Experiment，APOGEE），它是正在进行的斯隆数字巡天的一部分。

银河系考古学家刚刚开始认识到，研究银河系就像研究1 000个星系，因为它是由众多较小的星系合并到一起形成的。这些被吞并的星系留下的“化石”，不仅能告诉我们银河系的历史，还可以告诉我们所有被其吞并的小型星系的历史。我们应该很快就可以研究，在不同时期、不同大小的星系是如何形成的，这些都将在我们自己的本地实验室完成。过去10年，研究人员对环绕银河系的星流有了许多惊人的发现，这些发现极大地扩展了我们对星系形成的认知；而未来10年，这类研究将会让我们得到更多关于星系形成的知识。

最终，我们想知道，宇宙中的第一代星系是如何形成的。那些形成最早的、与银河系类似的祖星系，因为太远、太小而无法直接观测到。但是，银河系考古学可以揭示这些最早期星系的遗迹——携带着古老星系起源信息的恒星，就散落在银河系中。于是，通过一种非常实际的方式——在我们的“后院”进行考古发掘，我们就可以打开一扇通往早期宇宙和星系形成最初阶段的窗户，这是其他研究方法目前所不能企及的。