星流

苗千

這種宇宙級的美感和浪漫讓人感嘆。實際上銀河系中的恒星并不都是誕生自銀河系，也有一些是銀河系從其他星系中“掠奪”而來。星流所呈現的恒星結構，記載的往往是一段段星系之間大魚吃小魚，相互吞噬的慘烈歷史。如今，天文學家們正試著通過觀察這些星流的狀態來深入研究我們所居住的銀河系以及整個宇宙演化的歷史。

NASA發布的一張由哈勃天文望遠鏡拍攝的星流圖像

宇宙中眾多的星系是從何而來？以前天文學家們認為是在宇宙大爆炸之后，在暗物質的引力作用下，普通物質逐漸聚集形成的。但是隨著理論天文學的發展，天文學家們通過越來越先進的計算機和算法，對整個可觀測宇宙中數以萬億計的星系演變過程，以及單個星系的形成過程進行更為細致的模擬分析，發現如銀河系這樣的棒旋結構并非“自然形成”，而是在吞并了多個小星系之后逐漸形成的。至今仍然有數百個小星系圍繞在銀河系的周圍，但在這片宇宙區域，更多的小星系已經在宇宙漫長的歷史中被銀河系吞噬，留下的少許痕跡唯有星流。

“不識廬山真面目，只緣身在此山中。”地球本身就處于銀河系一條懸臂的外側，想要認識銀河系的結構并不容易，因此天文學家們最先是在外星系發現了星流。隨著天文學探測的精度越來越高，越來越多銀河系的星流也被發現了。地面上的“斯隆數字巡天”（Sloan Digital Sky Survey）項目和“暗能量巡天”（Dark Energy Survey）項目已經發現了數十個銀河系中的星流。在2018年4月歐洲空間局蓋亞（Gaia）探測器所公布的太空探測數據中，包含了銀河系中1%的恒星所處的位置和運動速度，這給了天文學家們更多的機會尋找星流。

在銀河系內部，最先被發現的是人馬座星流（Sagittarius Stream），這是一個矮星系被銀河系的引力所撕裂之后留下的痕跡。人馬座星流對于天文學家并沒有太大價值，這個星流中的恒星已經大多與銀河系混為一體，不易分辨。除了純粹的美感之外，天文學家試著利用星流來解答一些實際問題，比如說銀河系有多重。想要解決這些問題，最好能夠找到稀疏且狹長的星流作為研究對象。

銀河系究竟有多重？這個問題不容易回答。銀河系在宇宙中橫跨了十多萬光年的距離，含有幾千億顆恒星，居住其間的人類估算起來誤差可能會大得離譜。想要估算銀河系中心區域的質量，可以通過觀察圍繞在中心區域運轉的天體的運動速度，利用牛頓力學進行大致的估計。可是，一方面這些天體往往并不是沿一個圓周運行，另一方面，銀河系的大部分質量實際上并不是集中在中心區域的可見物質，而是在外圍“星系暈”區域的暗物質。暗物質究竟如何分布，人們至今還不清楚。此前天文學家對于銀河系整體質量的預測在5000億個太陽質量與2.5萬億個太陽質量之間，誤差不可謂不大。

銀河系邊緣的矮星系和球狀星團的運行軌跡也可以反映出銀河系的整體質量，但是相比之下天文學家很難掌握它們的運行軌道。利用這些天體進行估算，銀河系的整體質量最低是7000億個太陽質量，最高則是這個數字的幾倍之多，誤差仍顯太大。

人們需要在銀河系的邊緣找到一些遙遠且稀疏的星流作為參照，通過星流的整體形狀以及恒星的運動軌跡來判斷整個星系的質量。通過加州理工學院的天文學家卡爾·格力爾邁爾（Carl Grillmair）與同事奧迪西斯·迪奧那托（Odysseas Dionatos）共同發現的第一個星流GD-1，加上在2001年通過“斯隆數字巡天”項目發現的星流Pal5，天文學家對銀河系的整體質量進行了計算，大約為7000億個太陽質量。

可以與之對照的，是在得到了2018年蓋亞探測器第二次的銀河系探測數據之后，另外一組科學家也對銀河系的整體質量進行了估算。2018年9月，英國杜倫大學和美國麻省理工學院的一組天文學家在《皇家天文學會月報》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）雜志發表論文《通過衛星動力學計算銀河系的質量》（The Mass of the Milky Way from Satellite Dynamics），這些科學家通過星系的模型和蓋亞的數據進行計算，銀河系的總質量大約是1萬億個太陽質量，誤差范圍為20%，這個數字與利用星流進行的估算相對接近。

利用銀河系周邊星流的形狀和恒星的運動狀態，天文學家們還試圖以此來研究銀河系中暗物質的分布狀況，因此更多在銀河系邊遠地區的星流被納入到研究范圍內。通過分析蓋亞的探測數據，天文學家們在GD-1星流上發現了一個缺口，這讓一些人又驚又喜，因為此前正是有理論模型預測了這種情況的出現。

2018年8月，普林斯頓大學的天文學家阿德里安·普萊斯-惠蘭（Adrian Price-Whelan）與耶魯大學的天文學家安娜·博納卡（Ana Bonaca）在《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal Letters）雜志發表論文《一條偏僻小路：蓋亞解釋了GD-1的恒星偏離星流》（Off the Beaten Path：Gaia Reveals GD-1 Stars Outside of the Main Stream）。在論文里，作者預測在星流上出現的缺口，實際上是其與主要由暗物質構成的矮星系相撞的結果。通過對這樣的缺口進行分析，就有可能更準確地判斷銀河系內暗物質的分布狀態。

越來越多的天文學家意識到了星流對于研究星系的形成過程和性質的重要價值。隨著探測數據積累得越來越多，科學家們開發出了算法，讓計算機代替人自動尋找星流。更多的星流必將揭示銀河系中更多的秘密。因為星系的尺度遠超人類的想象，其中所蘊含的奧秘，解答奧秘所需要的線索，往往也都超出人類的想象。因此，每當人類對銀河系的認識更深入一分，也就能夠激發出一分超出人類經驗之外的美感。這些動輒數萬光年長的星流，如同一個龐大星系的點綴飾品，卻又記載著星系間相互吞噬的慘烈。這樣一種宇宙發展的歷史，又難以不讓人想到人類社會發展的歷程。

（本文寫作參考了《科學》雜志的報道）