互动科普

观测结果表明，银河系很可能是通过吞并周围的矮星系让自己不断成长的。

撰文：安娜·弗雷贝尔（Anna Frebel） 翻译：谢懿

每年我都会从美国波士顿前往拉斯坎帕纳斯天文台（Las Campanas Observatory）3次，在那里，我会做一些天文观测，希望能够揭开银河系演化中尚存的一些谜题。天文学家对于银河系目前的结构耳熟能详，但在时间尺度上，我们仍然不清楚有关它诞生和成长的所有细节。

科学家通过对早期宇宙的计算机模拟发现，年轻的银河系曾被数千个小星系所包围，银河系正是通过吞食这些小星系才得以长大。为了进一步确定这些模拟结果是否正确，我可以看看银河系外围（被称为晕的区域）的年老恒星（即晕星），和今天仍围绕银河系转动的矮星系中的年老恒星在化学成分上有没有差异。如果模拟结果是正确的，那么年老的晕星和矮星系中的恒星，应该具有相同的组成成分。

过去几年，科学家对恒星成分所做的化学分析显示，模拟结果是正确的。银河系很可能是通过吞并矮星系，并把矮星系的恒星纳入到银河晕中，让自己不断壮大。而且现在，我们的银河系似乎仍在从近邻星系撕扯出星流（stellar streams），来增强自己。不过，天文学家还没有收集到足够的数据来证明这一点，所以我们还不能把它写进教科书。和每一位敬业的天文学家一样，我也一直在寻找更多的证据。天文学家需要时不时地离开办公室和学校，前往远离城市喧嚣的地方——尤其是高海拔的地方，直面夜空中最纯粹的美丽。在这样的旅途中，我会想起当初我为什么会迷上科学，这也正是我想告诉你们的。

准备观测

一如往常，我提前一天到达天文观测台，这样我就有时间，根据研究需要制定出夜间观测计划。每年这个时候，我的工作时间，一般是从下午3点开始到次日早上6点结束，夜间观测大约从下午6点开始。到达观测台，休息了一个小时后，我和住地的其他天文学家一起吃晚饭。我们边吃饭边谈论最近比较有趣的研究、望远镜的技术问题以及天气预报——因为我们每个人都不愿看到布满乌云的天空。

晚饭后，我拜访了负责维护克莱光学望远镜（包括直径6.4米的巨大主镜）的操作人员和技术人员，了解了一下克莱望远镜的情况。只有利用像克莱这种相对较大的望远镜，我才能收集到足够多的、遥远的暗弱恒星所发出的光线。如果今晚我不进行观测，我很想和这里的工作人员以及当晚进行观测的天文学家聊聊天，了解一下自我上一次到访以来，拉斯坎帕纳斯天文台都发生了哪些新鲜事。

截至次日凌晨2点左右，我还一直保持清醒状态，但已明显有些困意了。于是，我离开克莱望远镜，步入夜晚凉爽的空气之中，行走在灌木和石头之间。作为地球上最干燥的沙漠，阿塔卡玛是研究恒星的理想地点：这里的空气中几乎没有会导致星光弯曲的水分。南半球的地理位置，则提供了无以伦比的银河系观测视角——即便仅用肉眼观看也是如此。我仰起头，凝视着银河系的中心，那里布满了无数恒星，就像一颗颗钻石。

如果从侧面观测银河系，你会发现，它就像一个只煎了一面的鸡蛋：恒星构成了明亮而稠密的蛋黄，我们称之为银心；围绕银心的银河系旋臂形成了一个浅碟，那是银盘。整个银盘被一个由年老恒星组成、正渐渐消散的晕所包裹。已知的大约30个矮星系，正穿梭于银晕的最外围区域。

一般来说，一个标准的矮星系仅含有几十亿颗恒星，远远小于银河系2 000亿～4 000亿颗的恒星数。而一些特别暗弱的矮星系可能只有数千颗恒星，天文学家要观测到它们非常困难。

我的研究主要集中在极为暗弱矮星系中的恒星，天文学家是在最近的10年间才开始观测它们的。这些星系中的恒星，是迄今为止所发现的最年老的恒星，我们之所以知道它们古老，是因为它们所包含的化学元素的比例泄露了这一“天机”。在大爆炸之后，宇宙中的第一代恒星，从含有氢、氦和微量锂（所有元素中最轻的几个，并且是当时宇宙中仅有的元素）的气体云中形成。随着第一代恒星的演化，恒星核心内部的核反应，会形成诸如碳、氧、氮、铁这些较重的元素。通过恒星的超新星爆炸，这些重元素会被抛撒入太空。新一代的恒星就会从富含重元素的气体云中形成。和锂一起，这些重元素习惯上被天文学家统称为“金属”。只有形成时间较晚的恒星，才会拥有可观的金属含量。我所研究的贫金属恒星，都诞生于宇宙的“婴儿时期”。极暗矮星系所含有的恒星数量，要少于较亮的星系，但当中贫金属恒星（它们绝大多数形成于宇宙早期）的比例则较高。

在星光的指引下，甚至连手电都不需要，我就从克莱望远镜走回了住地。一路上，只有星星陪伴着我。

恒星的“化学DNA”

睡了一觉之后，第二天我开始为我的第一个观测夜晚做准备。我在观测室中坐下，办公桌上摆放了一些电脑屏幕，它们会告诉我望远镜的状况、天气情况以及恒星的位置。望远镜操作员坐在15个屏幕前（分成几行排列），他会根据我的指令来操控望远镜。

在抵达智利前的一周，根据优先次序，我制定了一个观测矮星系恒星的“目标清单”。在了解了天气情况后，我从清单上选择了我要观测的第一颗恒星，然后请操作员将望远镜指向它所在的位置，并开始收集它的光线。

这些带状星光来自13万光年之外的矮星系，星光的颜色携带着恒星的“化学DNA”信息，我们要想获取这些信息，先得破译这些“DNA编码”。

克莱望远镜装备有一个高分辨率的光谱仪（spectrograph），可以把星光分解成一道由不同波长的光线组成的彩虹，而我能在计算机屏幕上直接观看这道彩虹。然后，在彩虹的不同位置上，有一些黑色的垂直线，这些黑色垂线叫做吸收线（absorption lines），对应于恒星外层不同化学元素的丰度。吸收线越窄，恒星中某种特定元素的含量就越少。事实上，光谱的分辨率已经非常高，据此甚至可以知道某颗恒星上，某种化学元素有多少个原子。

过去几年里，我收集并分析的所有星光显示，晕星和暗弱矮星系中的恒星，都具有极弱的重元素（诸如铁）吸收线。例如，在银河系的晕中，我发现了宇宙中最缺铁的恒星——铁含量只有地核的1%。但这颗恒星的质量却是太阳的60%，地球的30万倍。

这样的贫金属晕星，不可能是与银河系中相对年轻的恒星一起形成的。相反，它们必定形成于那些孕育了古老矮星系恒星的气体云中，而这些星云仅存在于宇宙的婴儿期，那时“恒星熔炉”还没锻造出更重的元素。这一迹象表明，古老的晕星在化学组成上和矮星系恒星相似，因为它们曾经就是矮星系的一部分。只不过随着时间的流逝，银河系吞食这些近邻的矮星系，窃取它们的恒星来壮大自己。

化学分析并非银河系抢夺恒星的唯一证据。天文学家还发现了银河系的餐前小点——银晕中的星流，来自银河系引力场俘获的卫星系。眼下，银河系正在撕扯着人马座矮椭圆星系，将其变成环绕银河系的星流，银河系正在一点一点地吃掉它。在每一次撕扯中，都会有恒星从人马座矮星系被拽出来，进入银河系的晕中。

截至次日早上7点，从我第一次进入望远镜观测室，已经超过12个小时。我顺利完成了昨天夜里对目标清单中第一颗恒星的观测，采集的数据也让我很满意，我想是时候结束这一晚的观测了。我收起笔记，离开望远镜下山，向卧室走去。还在路上，我就想像着回到卧室，拉上厚实的窗帘，然后把头埋在枕头里，美美睡上一觉。清晨的曙光遮住了头顶上的星星所发出的光芒，但我知道它们就在那里——几十亿年来，它们一直在不停地燃烧。

55分钟的观测区段

下午3点，我带着困意，艰难地从床上爬起来，吃过晚饭后，我就开始准备用望远镜做更多的观测。我不能浪费1分钟的时间，尤其是当我考虑到，每个观测夜晚的价值会超过5万美元。这是我承担不起的，因此我会仔细筹划每一个观测夜晚，尽量获取更多、更有价值的数据。

无论观测哪一颗恒星，我都必须收集到足够多的光线，以便此后对它的化学成分做有意义的分析。恒星越暗，我就需要花费越长的时间来收集足够多的光线。从理论上说，由于目标清单上的矮星系恒星极为暗弱，需要花费10个小时的时间，来对它们当中的每一个进行观测。相比之下，晕星则只需要1～3个小时的曝光时间。

然而，随着地球的自转，拉斯坎帕纳斯天文台会转离我所研究的空间区域，这样一来，我对目标矮星系中的恒星的观测时间，一晚上就只有四五个小时。为了解决这个问题，我会在几个晚上，观测同一批恒星。此外，我还面临另一个麻烦：不断轰击地球以及望远镜探测器的高能宇宙射线，会降低数据质量。为此，我找到了一个有效的办法，既可以收集到足够的星光，又能减少宇宙射线的干扰——那就是，我把每一次观测时间控制在55分钟。短于55分钟，我就无法获得足够多的光线；超过55分钟，就会有太多的宇宙射线轰击到仪器上。通常我会用四五个55分钟的时间区段来观测一颗恒星，然后转向下一颗位于天空中不同区域的恒星。

观测完一颗恒星，准备转向下一颗时，我必须仔细审查一下手上的所有数据，包括至此为止，我收集到的所有光子数、夜空中目标恒星的位置以及天气预报情况。望远镜的操作员正在等待我的指令。比方说，如果第一颗恒星的光线我还没有采集够，但这颗恒星即将落到地平线之下时，我就需要做出决定，是继续观测这一颗，还是转向另一颗恒星，然后寄希望于明晚出现好天气，可以再一次观测上一颗恒星。如果运气好的话，我可以下楼去厨房做个三明治，但绝大部分时间，我都需要盯着计算机屏幕，直到我收集到足够多的光子。

天公不作美

大约下午6:30左右，在开始新一次的夜间观测之前，我走在克莱望远镜外面的狭窄小道上，观看拉斯坎帕纳斯的日落。这看起来像是一种仪式，太阳缓缓地沉到地平线的下方，给山顶覆盖上粉色和桃色的外套。每一次日落都标志着一个观测夜晚的开始——只要天气允许。

我的第三个观测夜晚开始得很顺利，但好景不长，没过多久，我面前的显示器给出的天气情况就让我皱起了眉头。我打开望远镜的门，把头伸进夜晚的空气中，发现天空中出现了比块状奶油还厚的云层。面对这种情况，我束手无策。我知道，今晚无法继续观测任何恒星了。我坐在笔记本电脑前，回复那些已被我忽视了很长时间的电子邮件、整理此前的研究数据并写下了一些东西——事实上，正是在那个多云的夜晚，我写下了这篇文章中的绝大部分内容。

当我在写得有点累，停下来休息时，尚未发现的矮星系图像就会浮现在我的脑海中。计算机对银河系诞生过程的模拟显示，银河系周围有大量的矮星系在绕其转动，数量远远超过我们迄今所发现的。其中所有明亮的矮星系，都已经被我们观测到。而至今那些还未被揭晓的矮星系，不是太过昏暗，就是离我们太远。这意味着，我们需要利用更加犀利的观测工具，才能发现它们。

令人兴奋的是，美国卡内基科学研究所（the Carnegie Institution for Science）计划在拉斯坎帕纳斯建造一架新的望远镜——主镜直径达25米，位置就在曼奎伊峰附近的山头上。这个数字接近我目前所使用望远镜直径的4倍。具备了这么巨大的镜面及其终端的光谱仪，这架新的望远镜就可以让我们窥视到银晕中的广袤区域。在那里，我希望寻找到更多的贫金属恒星。只有进行更多的观测，我们才能更容易搞清楚，银河系成长历史中的所有片段。

本文译者：谢懿博士任职于南京大学天文与空间科学学院，主要研究相对论天体测量和天体力学。