互动科普

新的天文观测数据，为我们绘制了一幅前所未有的银河系图景，也让科学家重新审视我们的银河系。这个诞生于混沌时期的大型星系，曾经历了剧烈的演化过程，且目前仍处于动荡的复杂状态。未来，注定将会有一场浩劫。

撰文 安·芬克拜纳（Ann Finkbeiner） 翻译 王爽

也许你曾在某个夜晚，看到过那一条横跨夜空的苍白光带，罗马人称它为银星辰（via lactea），即银河系。自上世纪20年代以来，天文学家已经知道这条光带是我们在银河系边缘所看到的景象：在一个巨大的“风车”里面，充满了星云、气体云和数千亿颗恒星。在上世纪大部分时间里，天文学家一直认为我们的银河系，及其他类似的星系都非常安静：今天这种沉闷、缓慢旋转的结构，在许多亿年前就已形成，并过渡到了平淡的“中年”。

自上世纪七八十年代以来，新一代地面及空间望远镜开始绘制银河系的全景图像——范围从微波段到X射线波段，得到了一幅过去无法想象的多彩景象。天文学家便开始重新审视银河系。到21世纪初，科学家通过系统的天文观测，发现银河系的结构蔓延整个天空，其范围之大，过去竟无人注意到。最近十年，许多研究团队竞相建立更强大的计算机模拟系统，从宇宙到星团，在每个量级的尺度上，对星系的起源进行建模。2013年，位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA），将以前所未有的精度绘制银河系的细节部分。

天文学家还在努力“消化”这些新获取的信息，尽管他们的看法有分歧，并且还存在很多不确定和未能解答的问题，但今天已经没有人会认为，我们的宇宙家园就像一潭死水。最新的银河系图像显示，我们的星系诞生于混沌时期，并经历了剧烈的演化过程，目前仍处于动荡的复杂状态，未来注定将会有一场浩劫。

暗物质晕

天文学家对银河系诞生期间，各种事件发生的精确顺序还存在争议，但所有人都认为，这一切应该起始于暗物质。这种东西无处不在，并且是看不见的，目前也没有人知道它到底是什么。它的重量超过了普通物质 （包括恒星、气体及其他一切由原子构成的东西 ）的5倍，目前科学家只能通过它对可见恒星和星系的引力作用来探测到它。上世纪70年代，天文学家就知道银河系，包括所有其他的星系，都被紧紧包裹在暗物质当中。如果没有它，由普通物质产生的引力，远远不足以维持星系结构的稳定。

作为宇宙大爆炸（大约发生在距今137亿年前）的直接后果，引力使暗物质原本很细微的不规则性得到了增强，从而在各个宇宙尺度上，形成越来越致密的团块。宇宙学模拟显示，这个团块的形成过程，必然会演变成充满物质碰撞与并合的混沌状态。在大爆炸发生10亿年后，这些东西渐渐稳定下来，形成了一些类似于环绕银河系的暗物质团块：一个直径约为几十万秒差距（1秒差距约为3.2光年）的球形晕，其质量约为太阳质量的1万亿倍，其中包含着数量众多的子晕——最小的只有地球质量大小。

在这个暗物质晕的内部，有一层由原始氢气和氦气构成的薄雾，它们是被暗物质的引力拉进来的。几亿年后，这些薄雾开始冷却并逐渐凝聚，形成恒星，这就是形成银河系最初的物质原料。科学家要对这个过程进行建模绝非易事。“暗物质只回答了引力的问题，”美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的天文学家皮耶罗·马道（Piero Madau）说。但把普通物质转化成今天的星系结构（其中充满着碰撞、耗散、冷却、加热、爆炸等过程），“这是非常复杂的”。

矮星系

在暗物质子晕中存在一种复杂情况。只要它们的质量超过一定值（目前尚未确定具体数值），就可以把足够多的气体拉进来形成恒星，从而把自己变成矮星系——恒星和气体的不规则聚合体，质量约为当前银河系总质量的1%。倘若真是这样，那银河系周围应该有几千个矮星系，但目前天文学家只发现了20多个。

 对于上述差异，一种可能的解释是，银河系周围确实有很多个矮星系，但由于它们包含大量的暗物质，所以变得极其“昏暗”，难以观测到。例如矮星系Segue 1就含有比可见物质多1 000倍的暗物质。

“我们对那些极其“昏暗”的矮星系非常感兴趣，”加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的天文学家康尼·罗克西（Connie Rockosi）说，“因为它们为我们提供了一个暗物质子晕质量的临界值，低于此质量，暗物质子晕就无法吸引气体，来形成恒星及宿主星系。”当然也不排除有些暗物质子晕由于自身太小，一直就无法形成恒星，所以我们看不到它们。科学家要想发现一个含有极少星系的暗物质团，就得探测到它对附近矮星系或恒星流的引力效应，而这些效应尚未被明确地观测到。“我们很想找到一个不包含星系的暗物质子晕，”罗克西说，“这是我最想看到的东西之一”。

还有一种可能就是，过去星系周围的确形成了很多矮星系，但由于第一代恒星非常巨大和炙热，它们的爆炸吹走了所有较小的暗物质子晕中的气体和恒星，只留下一些较大的暗物质子晕。

恒星晕

无论是哪种方式，星系的形成都在快速进行，在此过程中，气体和矮星系向内旋转，堆积在暗物质晕中心的气体和恒星的质量也在不断增加。由于离心作用，矮星系被甩得到处都是，这就是我们原始的银河系。美国凯斯西储大学的希瑟·莫里森（Heather Morrison）说，“这完全是一团乱麻”。一些矮星系会由于太过靠近不断增长的星系内核，而被它的引力拉进去。

时至今日，在银河系外围的区域，似乎还有类似事件发生：各种恒星流还沿着矮星系原来的轨道绕银河系旋转。这些横跨天空的恒星流由于太过昏暗，而难以识别，但天文学家还是发现越来越多这样的例子。其中一个就是人马座矮星系及其附属恒星流，天文学家已经发现这个矮星系正在瓦解。

这些恒星流穿过昏暗的恒星晕——弥漫在银河系周围大约十万秒差距的范围内，形成了一个总质量约为10亿个太阳质量的球体。这个恒星晕可能只是几十亿年前矮星系的残余，但也不排除是由其他因素造成的。

2007年，一个由达尼埃拉·卡罗洛（Daniela Carollo，目前在澳大利亚悉尼市的麦考里大学）和蒂莫西·比尔斯（Timothy Beers，现为美国亚利桑那州基特峰国家天文台的台长）领导的研究组，确认了恒星晕被分成内层和外层部分的早期迹象。通过观测外层晕中恒星的光谱成分，科学家发现，在外层晕中一般只含有微量的重元素（例如铁）。这表明了，这些恒星来源于宇宙中第一代恒星（大爆炸后不到10亿年形成的）。外层晕中重元素的精确分布，可以告诉天文学家那些很早就消失了的第一代恒星是什么样子。

内层晕中的那些恒星，不但含有较多的铁元素，而且更加年轻。它们的年龄大约只有114亿年。此外，外层晕中恒星的整体运动方向与银河系相反，而内层晕的旋转方向则与银河系相同。

银盘

此种模式表明，恒星晕的外层晕是由矮星系瓦解的残余形成的，而内层晕则是中心漩涡的遗迹：在此漩涡中，原始的银河系塌缩形成了“风车”的形状（现在）。其实早在几十年前，人们就已经理解了这个塌缩过程的动力学规律：被暗物质吸进来的气体和矮星系之间的每一次碰撞，都会耗散两者的一部分转动能量，使它们进一步向内坠落。随着气体和矮星系越来越接近中心，即使只有很小的随机转动都会被放大。同时，随着下落物质的旋转速度越来越快，这些物质被逐步地压缩成一个薄盘。在这个盘内，引力相互作用使恒星和气体云的轨道开始重叠，造成“交通拥堵”：“密度波”（density wave，使漩涡星系宏观图像保持准稳状态的物质密度和速度的波动）发生卷曲，形成了银河系的旋臂[spiral arms，在一些星系中，激波（shock wave）在星际气体中传播时似乎也会形成旋臂]。

对于有些细节问题，天文学家也拿不定主意。银盘的形成过程是花了10亿年的时间，还是100亿年？“没人真的知道，”加利福尼亚大学欧文分校的天文学家詹姆斯·布洛克（James Bullock）说。

还有，银河系本应在几十亿年前就用完所有原料，那它现在又是靠什么来继续制造恒星呢？要做到这一点，银河系自身必须是一个复杂的生态系统，使物质能在恒星和星际气体间来回循环。大部分星际气体是非常稀薄的，每立方米可能只有几百个原子。由恒星发出的紫外线将这些气体电离，形成的炽热离子气就在银盘上飘移。上世纪70年代，天文学家发现，由于某些未知原因，星际气体有时可以凝聚成星云——非常致密，以至于可以屏蔽外部星光的照射。星云内部的气体能够冷却到-260℃～-240℃，使气体中的原子可以形成分子（例如氢分子和一氧化碳分子），因而这些星云也被称为“分子云”（molecular clouds）。引力作用使这个致密的星云变得不稳定，一旦分子云形成，最厚的团块就会塌缩，加热并点燃热核聚变而变成恒星。

这些星云的恒星形成区域（通常被称为星系的“恒星育婴室”）是动荡不安的：新生的恒星会猛烈地向外喷射物质，并释放大量的紫外辐射。质量最大的恒星很快就会以超新星爆炸的方式结束自己的生命；其他恒星则膨胀成为红巨星，并抛射出外层物质，最终也会走向死亡。以上所有过程都会把气体送到更广阔的星系区域，在那里，气体将冷却、凝聚并再次开始这种循环。

然而问题在于，银河系每年以几个太阳质量的速率把气体转变成恒星。按照这个速度，它本应早就用完所有可用的气体，但银河系至少在过去100亿年的时间里一直在不断地制造恒星。“它从其他地方得到了气体，”澳大利亚国立澳洲大学的肯·弗里曼（Ken Freeman）说道。

所谓其他地方很可能是一个外部的气体团，科学家已经在X射线和极紫外线波段上，观测到一个正环绕着银河系恒星晕的气体晕（类似的气体晕也可在其他星系周围观测到）。这个横跨几十万秒差距的气体晕，主要是由温度约为1 000 000℃的电离氢构成。它的密度很低，相当于每立方米只含有一百个氢原子，但它巨大的体积使其质量不低于银河系中所有恒星质量的总和。“一个不得了的物质库，”弗里曼说，“只要得到它很小的一部分，就足以为恒星的形成提供几十亿年的原料”。

如果气体晕冷却，塌缩到足以掉入银河系——“就像雾气沉降成露水”，很可能就会变成我们所看到的、坠向银盘的高速气体云，俄亥俄州立大学的戴维·温伯格（David Weinberg）说。这些气体云也可能与“喷泉”（fountain）有关：恒星爆炸，变成超新星时，会把气体喷出10 000至100 000秒差距的距离。恒星喷出的气体可能会进入气体晕，带走一部分离子气体，再以极高的速度掉回银盘。“我们确实看到有些东西出去，有些东西进来，”温伯格说，“但我们不知道这一去一来的，是否是相同的东西。”

核球和星系棒

在银河系中心，大约距地球8 000秒差距的地方，有一个核球——由一大堆年老的恒星构成，年龄约100亿岁，分布在一个大概有100亿个太阳质量的球体中。在这个核球的中央，有一根由年轻恒星构成的、长约2 000～4 000秒差距的星系棒。关于星系棒的起源，目前还众说纷纭，但科学家在其他螺旋星系中也观测到了相似的特征。

在这个核球的中心，有一个巨大的黑洞，正好位于银河系的正中央。这个黑洞有400万个太阳质量，但和类似的黑洞比起来它还算是小的：大多数星系都有一个超大质量黑洞，它们往往能达到数十亿个太阳质量。目前，银河系的中央黑洞也处在不活跃的时期，也就是说，它现在没有吸入什么东西。

不过，银河系的中央黑洞曾经是活跃的。2010年，美国哈佛—史密森天体物理学中心的道格拉斯·芬克拜纳（Douglas Finkbeiner）通过观察X射线发现，在银河系核球两侧垂直于银盘的方向上，有两个气泡，每个气泡都长约7 600秒差距。此外，科学家还观测到有微弱的γ射线喷流（从银河系中心发射出）射向这两个气泡。气泡和喷流都是黑洞活跃的标志，它们是由落入黑洞的物质向外发射能量喷流，并在周围气体中产生激波时形成的，这表明银河系中央黑洞曾经是活跃的。芬克拜纳估计，银河系的中央黑洞在大约1 000万年前是活跃的，而在更早以前，很可能也会间歇性地活跃。“要是没有什么东西落进去，黑洞就不会有400万个太阳质量那么大，”芬克拜纳如是说。

一切的终结

早在几十年前，天文学家就已经知道，距离我们最近的大型星系——仙女座的M31漩涡星系，正在朝银河系运动，但当时还不知道的是，两个星系的碰撞是否无法避免，因为天文学家没法监测M31漩涡星系的行进速度——一个名为“固有运动”（proper motion）的量。2012年5月，空间望远镜科学研究所的罗兰·范德马雷尔（Roeland van der Marel）和同事对比了仙女座与背景星系的位置随时间的变化情况，结果测出这个固有运动为每年11微角秒（microarcsecond）——大致相当于你站在月球表面上，看地球上人类指甲的生长。目前，仙女座和银河系相距77万秒差距，并以每秒109千米的速度靠近彼此，预计将在大约60亿年后碰头。然后，它们将穿越彼此，并互相环绕，到70亿年后，这两个漩涡星系将并合成一个椭圆星系。

椭圆星系是两种主要星系类型中的一种，与生机勃勃、不断产生新恒星的漩涡星系相反，椭圆星系就像是一个没有特色的系统，只含有少量气体，也少有恒星生成。奇怪的是，只有极少数椭圆星系处在过渡期——从总体上看，星系要么非常活跃，要么特别沉寂。理论学家对此做出的最好解释是，两个大型星系的并合导致了恒星形成的爆发期，从而很快用光了所有可用的气体。另外一种可能是，星系的并合重新激活了星系中心的黑洞，由此产生的高能激波和喷流把气体赶出了星系，或者将气体搅动得太过炙热，而无法形成恒星。无论是哪种情况，美国约翰斯·霍普金斯大学的蒂姆·海克曼（Tim Heckman）说，“气体将停止落入星系，而星系也会耗尽它得到的所有气体。”

宇宙中只有这么多的气体，星系迟早会将所有的气体都转变成恒星，这个过程也许会和星系已经存在的时间一样久。宇宙中“恒星的形成正在逐渐停止，”海克曼说，“死亡正在蔓延。”只有太阳质量十分之一的小恒星，可以平静地度过上万亿年，但它们最终也将燃烧殆尽——那将是一切的终结。

本文作者 安·芬克拜纳是一名自由撰稿人，现居于美国马里兰州巴尔的摩市。

本文译者 王爽目前在美国俄克拉何马大学物理与天文学院做博士后研究，研究方向是当前宇宙的加速膨胀。他也很关心超新星宇宙学。