“厚”此“薄”彼的銀河系

□ 編譯/ 謝 懿

“厚”此“薄”彼的銀河系

□ 編譯/ 謝 懿

研究銀河系垂直結構，天文學家正在梳理我們所在的這個星系是如何演化的。

2微米全天巡視揭示出了銀河系從側向看的樣子。圖像中可以清晰地看到包含銀河系中絕大多數氣體和塵埃的薄盤以及厚盤和中央核球。此外，還能在右下角看到銀河系的2個衛星系：大、小麥哲倫云。版權：2MASS/IPAC/CALTECH。

沉浸在銀河淡淡的光輝之下，讓人很難認識到地球其實只是這個宇宙中最大的旋渦星系之一里面極其微小的一部分，而時至今日天文學家才開始對我們所在的這個星系有了全面的了解。通常，我們在教科書或者書刊雜志上所看到的都是有著宏象旋渦結構的銀河系正面圖。然后，為了真正了解它到底是如何形成和演化的，你需要了解唯有從側向才能直接看到的銀河系垂直結構。

這無疑是很難做到的，因為我們的太陽系就像一個被咬鉤的魚漂，會在銀河系的薄盤中上下振動。幸運的是，我們距離銀河系中心足夠遠，可以看到北銀極和南銀極，還可以看到銀河系垂直結構外邊緣的深處。

宇宙微波背景輻射的影像可以幫助我們。美國宇航局的宇宙背景探測衛星首次詳細地勘測了這些輻射，而美國宇航局威爾金森微波各向異性探測器和歐洲空間局的普朗克衛星則做得更加出色。它們所觀測到的銀河系前景塵埃圖像給了天文學家們相當不錯的銀河系側向視角。

那么，從側向上看去，類似于銀河系的星系會是什么樣子呢？就目前所知，你看到的絕大部分會是一個由恒星所組成的薄盤。

在過去的十年中，斯隆數字巡天（SDSS）一直是研究銀河系垂直結構演化的主要觀測工具。但是，為了測量這一結構是如何隨著時間而演化的，天文學家還必須要能測量出遙遠恒星的年齡、化學成分和運動情況。

有了類似SDSS這樣全面的地面大視場巡天項目，天文學家已不得不修改他們的理論架構，以此來應對更為復雜得多的銀盤結構。這反過來也迫使理論家們來完善天文學家沃爾特·巴德（Walter Baade）于1944年所提出的經典觀點，即從廣義上講銀河系是由2類恒星組成：星族Ⅰ和星族Ⅱ。星族Ⅰ恒星位于銀盤中，那里也是太陽所在的地方，它們都比較年輕且富含金屬——在天文學中，把比氫和氦更重的所有元素統稱為金屬。星族Ⅱ是更為年老的貧金屬恒星，通常位于銀河系的暈中。

從遠處正向看去，銀河系可能和照片中的星系UGC 12518十分相似。這個棒旋星系直徑140 000光年，位于飛馬座中，距離我們約4億光年。版權：ESA/HUBBLE/NASA。

然而，就在整個銀河系天文學界為歐洲空間局的“蓋亞”衛星釋放其第一批數據而興奮不已時，有一件事情是可以肯定的——目前的銀河系垂直結構模型將會變得更加復雜。通過跟蹤不同類型恒星在垂直結構上的差異，理論家可以從原則上勾勒出銀河系隨著時間必須該如何演化。

銀河系中絕大部分的恒星要么位于銀盤中，要么位于核球中，和它們形成時的情況保持一致。太陽目前仍在其出生時所在的同一條近圓軌道上繞銀河系中心轉動。

三盤鼎立

如天文學家所觀測到的，在可見光波段上，一個由年輕恒星形成區、塵埃和氣體所組成的薄盤占據了銀河系的主導。正是這個厚度僅約300光年的年輕薄盤包含了所有會誕出新生恒星的分子云。

在這個薄盤的中心有一個占據主導地位的棒狀結構，從這個棒的端點延伸出了3或4條旋臂。不過，包括太陽在內，銀河系中的大多數恒星則位于一個更為年老的薄盤上，它的厚度約為1 000光年。

這是一個難題。因為星系形成的標準模型認為，在銀河系的幼年時期其他星系與銀河系的并合過程應該會破壞這個薄盤。然而，所有的大型旋渦星系似乎都擁有稍厚的年老薄盤，所以關于這個問題天文學家還有很多需要研究的內容。

銀河系的厚盤約有3 000光年厚，包含有比薄盤中更年老以及重元素豐度更低的恒星。在它的中心是人馬A*，一個目前基本上處于寧靜態的超大質量黑洞，但在銀河系歷史的早期它很有可能是一個活動星系核。

銀河系已經開啟了對大麥哲倫云的瓦解和吸積過程。事實上，銀河系正是通過吞食與大麥哲倫云類似的小型星系來生長和演化的。版權：C. SMITH/S. POINTS/THE MCELS TEAM/NOAO/AURA/NSF。

最后，整個銀河系的內部區域為銀暈所包裹。銀暈不具有自轉，但卻擁有銀河系中最古老、最貧金屬的恒星。在銀河系的外暈中含有約100個小型衛星星系，包括南天的大、小麥哲倫云和正在被銀河系的潮汐力瓦解的其他星系。

在所有這一切銀河系結構之外的是一個巨大的暗物質暈。暗物質仍是一種神秘的物質形式，它們只通過引力與其他物質發生相互作用。除了它的引力作用之外，這個近似球形的暗物質暈無跡可尋。它的直徑約為600 000光年，是可見銀河系直徑的4倍，質量達太陽的1萬億倍。

構建一個星系

所有這些結構是如何形成的？有關銀河系形成的第一個現代理論可以追溯到1962年由奧林·埃根（Olin Eggen）、戴維·林登-貝爾（David Lynden-Bell）和阿蘭·桑德奇（Allan Sandage）所發表的一篇論文。他們提出了一個模型，認為銀河系始于一團巨大的原星系氣體，后者冷卻進而形成恒星。幾十年后，這個想法開始遇到了問題。這個模型無法解釋與太陽反向繞銀心轉動的恒星。在一團一切都以同一方向轉動的坍縮氣體云中，要如何才能形成這樣的一顆逆行恒星呢？

做不到。天文學家現在認為，銀河系是通過等級式地與矮星系、暗物質纖維結構和暗物質暈不斷并合而形成的。在本星系群中存在的原初氣體云可能彼此間就存在著吸積和并合的過程。這意味著銀河系是自內而外形成的。隨著銀河系吸積的物質越來越多，銀盤也會向外生長。但是，如果這個等級式模型是正確的，那么銀河系應該仍然在吸積大量的微小衛星星系——至少要比現在所觀測到的要多。所以，等級式模型是否也存在根本性的問題呢？

事實上，早期星系的形狀并不規則，正在吸積小型星系和暗物質，這些暗物質中有一些來自于原星系，有的則是沿著暗物質纖維結構流入進來的。這個過程很快就會形成早期的暈族恒星，不久之后還會形成一個巨大的擁有大量氣體和恒星形成的盤。

約100億年前，一個質量與大麥哲倫云相當的衛星星系一頭栽入了銀河系中，造就了銀河系的厚盤。恒星形成區域隨后安定下來，形成一個厚約300光年的巨大薄盤。之后，始于約80億年前，隨著恒星向外擴散，這個盤開始“發?！?，厚度達到了約1 000光年。

10億年之后，厚盤停止生長。在這個盤中迅速地形成了旋渦結構，多條旋臂出現了然后又消亡，內部的棒結構也在生長并且在垂直方向發生彎曲。

不斷增厚

不過，由于下落的物質在不斷地影響銀河系，因此更好地了解銀河系和附近環境的相互作用就顯得至關重要。事實上，矮星系和高速云正在不間斷地掉入銀暈中。這些仍然在被吸積的天體中包含有矮星系（例如，人馬矮橢球星系）、暗物質云以及普通的氣體云。

暗物質暈率先形成，然后氣體會被聚集到其中，冷卻形成氣體盤。這個氣體盤的某些部分會變得不穩定，坍縮并最終形成新的恒星。這個氣體盤可能形成于100億～120億年前，時至今日仍在產星。

這與觀測到的恒星形成時間相一致。大多數恒星都位于薄盤中，而薄盤則嵌在厚盤內。但厚盤中的恒星相對于銀河系平面有著較大的高度，它們的年齡都達到了80億～90億年。

通過與旋臂中物質或者與大質量分子云——它也是恒星誕生的地方——交會，恒星會被朝不同方向散射。其結果是，恒星的分布會變得越來越雜亂無章。

于是，垂直結構演化的圖像是這樣的：年齡為100億年的恒星都誕生于一個厚的氣體層中。隨著時間，這個氣體逐漸變薄，新生的恒星也由此分布在厚度越來越小的薄層中，直到今天我們所見的氣體層已經非常薄了。

在銀河系、仙女星系以及其他近鄰的大質量星系的暈中都已經發現了星流。它們起源自被瓦解的矮星系或球狀星團，為星系的等級式形成提供了堅實的證據。根據星流的軌道可以限制銀河系引力勢的形狀。利用斯隆數字巡天的數據，天文學家繪制出了南天和北天可見的星流。版權：SDSS DR8/Bonaca, Giguere, Geha。

但是，目前來自衛星星系的恒星物質和氣體流入量加起來也并不多。厚盤的質量占銀河系總質量的十分之一，掉落進銀河系的衛星星系會被撕扯出星流，但與厚盤的總質量相比，把它們都加起來也沒多少。

人馬矮橢球星系就是一個很好的例子。該星系中的恒星形成過程貫穿其一生，但在30億年之前它才開始在銀河系的潮汐力下被撕扯開。年老星流已經被拉扯得很開也很稀薄，因此無法觀測到。

為了精調模型，天文學家們需要恒星的多維數據，由此不僅能夠知道恒星精確的3維位置和運動，而且還能了解它們的化學成分。這些信息必須要能覆蓋遍布于銀河系盤和旋臂中的恒星。只有有了這些觀測數據，才能確定銀河系的結構是如何隨著時間生長和演化的。

恒星的化學標記不僅能告訴你恒星所在的位置，還能告訴你它和其他哪些恒星有關聯以及它們是如何運動的，又正在去向哪里。天文學家的目標是根據多維數據——包括恒星大氣中不同元素的相對豐度——來搞清楚這些恒星來自何處。

探測旋渦結構

半人馬ω是一個大質量的球狀星團，它很有可能是在很久以前被銀河系所瓦解的一個矮星系所殘留下的核心。版權：ESO/INAF-VST/OMEGACAM。

事實上，由于我們身處一條旋臂之中，因此從這個視角去追蹤銀河系的旋渦結構是一個無比艱巨的任務。不過，最近天文學家取得了突破性的進展。利用美國宇航局大視場紅外巡天探測器的數據，天文學家跟蹤了約400個內埋星團。其中大部分位于英仙旋臂中，距離銀河系中心約30 000光年。

由于大多數新發現的星團都是內埋星團，它們還沒有足夠的時間運動到遠離其出生地的地方，因此用它們可以來示蹤銀河系的旋臂。有關的分析結果支持了銀河系有4條旋臂的結構。

讓天文學家大吃一驚的是，他們在高銀緯區發現了2個內埋星團，那里曾被認為是不會形成恒星的。也許，那里吸積了超過預期的產星物質。

雖然空間觀測正在不斷開拓和分析銀河系中更暗弱也更遙遠的區域，但理論天文學家仍然依靠地面望遠鏡所獲得的數據來歷練他們自己不斷發展的銀河系模型。

事實上，目前正在進行中的阿帕奇天文臺星系演化實驗（APOGEE）巡天是唯一一個能獲得近紅外光譜的綜合巡天。該巡天始于2011年春，使用位于美國新墨西哥州的2.5米大視場斯隆望遠鏡。它的高分辨率攝譜儀可以為天文學家提供每顆目標恒星的化學元素豐度信息。這些數據將會為銀河系中心棒和旋臂的演化以及銀河系中恒星形成和化學增豐的歷史提供更多的線索。

在這幅紅外圖像的中部，可以看到一個貫穿其間的黑色纖維狀星云。這個稠密的分子云整個都位于銀河系年輕的薄盤中。版權：NASA/ JPL-CALTECH/SSC。

從2016年起，位于南半球智利的一架2.5米望遠鏡也會加入這一巡天。有了它的一臂之力，到2020年時該項目將觀測約50 000顆恒星。

APOGEE會測量出單顆恒星的年齡，由此可以直接反映出隨著時間恒星的垂直分布是如何變化的。于是，天文學家可以了解在靠近和遠離銀河系中心的地方結構是如何改變的。APOGEE的第一批測量結果顯示，許多年齡不足80億年的恒星并沒有一個固定的厚度，但到銀心的距離越遠，它們就分布得越厚。這是一個信號，暗示恒星到銀心的距離并非一成不變，只要時間充足，它們會遷移到更遙遠的距離上。

在進行觀測之前幾個月，為了與APOGEE巡天所觀測天區中300顆恒星的相對位置精確相匹配，天文學家會在9塊寬1米的鋁板上鉆出光纖插孔，每一根光纖都會把星光導入到攝譜儀中。它每次觀測所能覆蓋的天區與6個滿月的直徑相當。

根據這些觀測結果，APOGEE團隊制作出了迄今第一張大尺度的恒星相對化學豐度圖，覆蓋了南北兩側以及從銀河系中部到銀盤邊緣的廣大區域。

尋找更多數據

正在6個維度——3維位置和3維速度——上對銀河系進行巡天的“蓋亞”衛星將會提供超過10億顆恒星的直接距離。這些觀測將使得天文學家更好地了解銀河系的暗物質成分，進而也更進一步地認識它的形成和演化歷史。2016年9月中旬，“蓋亞”發布了其首批有關恒星位置、距離和運動的數據，因此有關銀河系結構的新結果預期應該會很快問世。

即便如此，正在進行的地面巡天也會不斷地帶來驚喜。最近，澳大利亞國立大學的天空勘探望遠鏡在核球中發現了銀河系中已知最年老的星族Ⅱ恒星。形成于宇宙大爆炸之后僅3億年，即有著超過130億年的年齡，這些恒星出現的時間比銀河系本身還早。它們所含的金屬極少，只含有更早的一顆超新星所帶來的重元素。尤其是其中的一顆恒星，觀測發現它不含有碳，其鐵的豐度還不足太陽的1/10000。

這些恒星都是質量約為0.8個太陽質量的紅巨星。紅巨星——在其核心處氫不再聚變成氦，因此急劇膨脹——十分明亮，因此可以作為完美的目標，即使距離非常遙遠，可以看到它們。天文學家認為，這些貧金屬星族Ⅱ恒星是形成于宇宙中第一代恒星——星族Ⅲ恒星——所拋射出的氣體。理論模型表明，當這些星族Ⅲ恒星發生超新星爆炸時，它們正身處最大的原星系云之一。

在天文學家所觀測的14 000顆恒星中，有約500顆是貧金屬且有可能極其古老。在這其中有23顆恒星最為年老，年齡超過了135億年。

長壽確實是銀河系的一個標志。畢竟，天文學家預計，一些低質量的紅矮星可以再活一萬億年。但是，這并不意味著銀河系的結構在它們今后漫長的歲月中會保持不變。

最大的變數將會是約40億年之后銀河系與另一個大型旋渦星系——仙女星系（M31）——的碰撞。然而，遠在這兩個龐然大物開始并合之前，引力就會破壞掉它們目前的旋渦結構。

盡管如此，在21世紀初的這一時間點上，我們的銀河系就其質量和分類而言仍合乎正常的范疇。不過，出于某些原因，M31似乎有著比銀河系更為劇烈的并合歷史。因此，在可預見的未來，我們的銀河系將依然是高分辨率星系數據的最重要來源。在認識星系形成和演化的過程中，它將繼續扮演典范的角色。

（責任編輯 張長喜）