銀河系里的“考古”

文 本刊綜合

近日，天文學(xué)家使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡首次精確測量了地球與宇宙中最古老天體系統(tǒng)之一——球狀星團(tuán)NGC6397的距離。最新測量表明，134億歲“高齡”的NGC6397距離地球7800光年。

7800光年意味著什么？銀河系直徑為10萬光年，地球距離銀河系中心2.6萬光年。從銀河系或宇宙尺度來看，NGC6397算得上是地球在銀河系的一位近鄰。

那么問題來了，為何地球周圍會有如此“年老”的星團(tuán)？宇宙膨脹沒有讓它遠(yuǎn)離地球嗎？星團(tuán)內(nèi)的所有恒星年齡都一樣嗎？天文學(xué)家又是如何測定天體年齡的？

與地球共動的球狀星團(tuán)

抱團(tuán)取暖并非人類的專利。成千上萬甚至數(shù)十萬顆恒星聚集在一起，形成外貌呈球形的恒星集團(tuán)，它被稱為球狀星團(tuán)。因為被引力緊緊束縛，星團(tuán)內(nèi)的恒星向中心高度集中，越靠近中心，恒星越密集。

有喜歡抱團(tuán)的自然就有喜歡松散的，球狀星團(tuán)和疏散星團(tuán)是銀河系里的兩種主要星團(tuán)。球狀星團(tuán)比較“年老”，一般有100億年以上的歷史，疏散星團(tuán)相對年輕。

“不管是哪一種星團(tuán)，它之所以叫星團(tuán)，都暗含一個假設(shè)，即這個星團(tuán)里所有的恒星都是在同一時期產(chǎn)生的。原則上我們認(rèn)為它們應(yīng)具有相同的初始化學(xué)成分，不同的演化軌跡主要反映了它們的質(zhì)量不同。”國家天文臺副研究員李海寧解釋道。

通常人們認(rèn)為，宇宙大爆炸之初產(chǎn)生的物質(zhì)隨著宇宙膨脹不斷向外擴(kuò)散，離地球越遠(yuǎn)的天體年紀(jì)越大。比如一個天體距離地球100億光年，它發(fā)出的光照到地球上需要100億年的時間，可想而知它的年齡至少有100億年。

為何在地球周圍會有“年老”的星團(tuán)？宇宙膨脹沒有讓它們遠(yuǎn)離地球嗎？

天文學(xué)上有一個概念叫共動。事實上，地球不是太陽系的中心，也不是銀河系的中心，更不是宇宙爆炸的起點。當(dāng)銀河系形成后，銀河系本地有一些非常“年老”的物質(zhì)，地球和它們隨著宇宙的膨脹一起膨脹，這是共動的一種體現(xiàn)。

宇宙是否存在中心或宇宙中心在哪仍是個未知數(shù)，我們所在的位置只是宇宙中很普通的一個點，跟其他任何地方是一樣的。如果宇宙膨脹速度非常快，而且大致比較均勻，可以認(rèn)為每個地方應(yīng)該都有最早期的那些物質(zhì)和信息。所以，并不是離地球近的就一定是年輕的物質(zhì)。

研究表明，銀河系在演化過程中吸引并吞噬了周圍許多較小的星系，并逐步將這些小星系的恒星融進(jìn)銀河系。小星系被吞噬后，會在銀河系引力作用下形成一道橫跨天空的暗弱星流。

目前科學(xué)家已經(jīng)在銀河系中發(fā)現(xiàn)了多條來自早已消失的衛(wèi)星系的星流，這證實了一個理論：起初銀河系很小，它通過大規(guī)模吞噬小星系來增加質(zhì)量，這一過程稱為“等級式結(jié)構(gòu)形成”。科學(xué)家希望通過研究這些星流來探究銀河系的形成之謎，即“銀河系考古”。

發(fā)掘銀河系“化石”

現(xiàn)有理論認(rèn)為，宇宙年齡大致為137億年。為了探索宇宙的起源和演化進(jìn)程，人們把目光投向距離地球非常遙遠(yuǎn)的天體。因為距離地球越遠(yuǎn)，意味著天體年紀(jì)可能越大。然而遙遠(yuǎn)的天體光芒相對較暗，對觀測技術(shù)和設(shè)備的要求很高，觀測難度很大。受觀測技術(shù)和設(shè)備所限，目前對早于100億年前的可視物質(zhì)的形成，即第一代恒星形成和星系形成的歷史知道得很少。

既然遠(yuǎn)距離觀測難度很大，而且在地球周圍就有接近宇宙年齡的天體，是不是可以在近處進(jìn)行“考古”？答案是肯定的。

相對于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)距離觀測，在銀河系內(nèi)尋找“化石”來研究宇宙演化的方法稱為近場宇宙學(xué)。一些古老的天體保留了許多宇宙嬰幼兒時期的重要信息，天文學(xué)家親切地稱它們?yōu)椤坝钪婊薄?/p>

事實上，古老地質(zhì)年代的地球以及當(dāng)時生長著各種生命的情景早已消逝，但科學(xué)家可通過研究化石為生物的起源和演化勾勒出合理的圖景。同樣，宇宙演化進(jìn)程也可以尋找類似的“宇宙化石”進(jìn)行研究。

經(jīng)過數(shù)十年的研究，銀河系考古學(xué)家從斯隆數(shù)字巡天項目的數(shù)據(jù)中得到了一幅高質(zhì)量的銀河系恒星三維分布圖。該項目建立了一個包含銀河系8000多萬顆恒星的數(shù)據(jù)庫，這些恒星所在的范圍覆蓋了1/4的天區(qū)，恒星的距離、顏色等信息也被記錄在其中。

在斯隆數(shù)據(jù)庫記錄的大量恒星信息中，闖入銀河系的恒星數(shù)量大約有近100萬顆，天文學(xué)家可以利用它們尋找很久以前就已消亡的星系存在的證據(jù)，銀河系考古學(xué)家還能利用它找到那些位于銀暈中的恒星，針對性的尋找方式可以讓研究人員更好地探究星流的奧秘。

2003年，研究人員在銀河系已知最近的衛(wèi)星系——人馬座矮星系流出的巨型尾狀結(jié)構(gòu)找到了第一個具有說服力的星流證據(jù)。此后，銀河系考古學(xué)家從斯隆數(shù)據(jù)庫中又發(fā)現(xiàn)了十幾條圍繞銀河系的星流。這些發(fā)現(xiàn)表明，銀河系在早期歷史中吞噬星系的頻率更高，此后由于可供其“進(jìn)食”的矮星系數(shù)量減少，這一頻率逐漸降低。

對恒星進(jìn)行“年齡普查”

研究“宇宙化石”、進(jìn)行宇宙“考古”需要測量恒星的年齡。測量恒星年齡主要有三種方法，即赫羅圖、測同位素法、星震法。

天文學(xué)家將恒星的光度以及表面溫度共同標(biāo)識在一張圖上，便形成了赫羅圖。這是天文學(xué)家研究恒星演化的必備工具，能讓科學(xué)家對恒星進(jìn)行“年齡普查”。恒星一生中的大部分時間都處于主序帶上，觀測它在赫羅圖主序帶上的位置，再與理論給出的模型比較就能推斷出它在主序帶上演化了多久，從而推測它的年齡。

在地球上考古時，為了解某個器物的年齡，人們通常采用測碳同位素的方法，在測量天體年齡時也有類似的方法。比如測量出恒星光譜后，每一條譜線對應(yīng)某一種元素，對譜線進(jìn)行分析就能推斷出恒星里含有多少鈾、釷等放射性元素，進(jìn)而通過衰變元素的豐度比來判斷恒星的年齡。根據(jù)恒星演化理論，能夠通過兩種放射性核素的含量比值推算出這顆恒星的年齡。

星震法是探測距離比較近的恒星內(nèi)部的脈動特征，再與相關(guān)的理論模型比較，從而準(zhǔn)確地判定它演化到什么階段，再結(jié)合它的質(zhì)量就可以推斷它的年齡。

精確確定恒星年齡可不簡單，這三種方法各有長短。隨著蓋亞衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的釋放以及凌日系外行星勘測衛(wèi)星開始全天觀測，我們將能獲取銀河系恒星更多、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，更精準(zhǔn)地確定它們的年齡，從而更深入地探究宇宙的演化軌跡。

探究嬰兒期的銀河系

通過NASA哈勃望遠(yuǎn)鏡對銀河系中心區(qū)域進(jìn)行“考古”，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些銀河系形成初期的線索。

在深入研究了銀河系中央高密度的星系集合之后，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些曾經(jīng)占據(jù)河心的恒星殘余物——大量古老的白矮星。這些白矮星的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步揭示了銀河系的早期形成過程，該過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于地球和太陽的形成。

正如任何古代遺址一樣，新發(fā)現(xiàn)的白矮星記錄了一段上古時代的歷史。120億年前恒星發(fā)生巨變，隨著內(nèi)部燃料耗盡，恒星殘骸冷卻，最終演化為白矮星，我們可以通過它們了解銀河系早期的壯麗歲月。

對哈勃數(shù)據(jù)的分析顯示，銀河系銀核中的恒星是在銀核形成后的不到200萬年內(nèi)演化而成的。銀盤周圍區(qū)域內(nèi)第二和第三代恒星的生成則緩慢得多。

天文學(xué)家也利用其他的恒星特性來尋找更消散的星流和已經(jīng)完全解體的星流遺跡，從而探索銀河系形成過程。近日，一個國際科研團(tuán)隊發(fā)布了對銀河系內(nèi)34萬顆恒星“DNA”——恒星化學(xué)元素(如鐵、鋁和氧)含量的調(diào)查結(jié)果，這是迄今對銀河系內(nèi)恒星進(jìn)行的最大規(guī)模的調(diào)查。新數(shù)據(jù)有助于天文學(xué)家找到太陽的出生星團(tuán)，并研究銀河系的形成和演化歷程。

過去10年，人們對環(huán)繞銀河系星流的研究有了許多驚人的發(fā)現(xiàn)。未來，這些發(fā)現(xiàn)將極大地擴(kuò)展人類對星系形成的認(rèn)知。