我们所在的银河系,可能比天文学家们想象得要古老,或者说它确实比科学家们之前所预测的要古老。一项新研究表明,银河系的某一个部分比之前预测的要早20亿年。
这个区域就是“厚盘”,它在宇宙大爆炸8亿年后才开始形成(译者注:厚盘被认为是星系早期运动和化学组成的证据来源,薄盘是某些星系的构成元件之一,1983年首次提出星系结构有薄盘、厚盘和星系晕等结构)。
近日,两位天文学家拼凑出了银河系的详尽历史,这在天文研究史上前所未有。他们的数据来源是基于欧洲航天局(欧空局)的盖亚任务和中国的LAMOST(译者注:大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜[简称“LAMOST”]是由中国科学院国家天文台承担研制的我国自主创新的、世界上口径最大的大视场兼大口径及光谱获取率最高的望远镜)的详细数据,而这一发现的关键在于亚巨星的形成过程(译者注:亚巨星是光谱分类中光度级按照由强到弱顺序分在第四级的恒星,用罗马数字Ⅳ表示)。
这篇论文名为“银河系早期形成历史的时间解析图”,发表在《自然》杂志上,作者是来自马普天文研究所(MPIA)的向茂生(音译)和汉斯-沃尔特·里克斯(Hans-Walter Rix)。
确定一颗恒星的年龄是恒星研究中最困难的事情之一。恒星的成分或金属丰度(译者注:金属丰度是指原子总数或总质量的相对含量)是确定其年龄的关键。天文学家测量金属丰度越精确,它的年龄预测就能越精准。
早期的宇宙几乎只有氢和氦两种元素。而恒星会产生比氢和氦更重的元素,并会随着恒星的死亡和爆炸扩散到宇宙中。天文学家把所有比这两种原始元素重的元素都称为“金属”。
金属丰度较低的恒星更古老,这是因为它们形成时大多只有氢和氦元素可用。因此,当天文学家识别出主要含有氢和氦的恒星群时,他们就能判定这些恒星更古老;当他们发现一群金属丰度较高的恒星时,他们就能知道这些恒星一定更年轻。
精确的年龄测量对天文学而言至关重要,除了使用金属丰度来确定恒星年龄之外,向茂生和里克斯也专注于研究一种特定类型的恒星:亚巨星。
恒星生命中的“亚巨星阶段”相对较短,因此天文学家可以在恒星为亚巨星时最准确地确定该恒星的年龄(译者注:现代恒星演化理论认为,亚巨星是由主序星演化而来的。主序星在中心氢核燃烧的末期,中心核收缩,恒星半径和光度缓慢增加,恒星离开主星序而向巨星演化,而亚巨星就处于这种演化的最初阶段)。亚巨星正在向红巨星过渡,它的核心不再产生能量,相反,核聚变已经进入核心周围的壳层。
在这项研究中,两位科学家还使用了LAMOST数据确定了银河系不同部分约25万颗恒星的金属丰度。他们还使用了盖亚数据(译者注:欧空局的盖亚[Gaia]空间望远镜),该数据提供了大约15亿颗恒星的精确位置和亮度数据。
欧空局的盖亚任务负责提高这项研究以及其他天文研究的准确性。在盖亚任务之前,恒星年龄数据可能有20%~40%的偏差,这意味着可能有10亿年的年龄误差,这大大增加了科学家们的工作量。
但盖亚改变了这一切。根据目前发布的盖亚EDR3数据,给出了超过33万颗恒星的精确3D位置,它还能对恒星在太空中的运动进行高精度测量。
研究人员使用了所有来自盖亚和LAMOST的数据,并将其与已知的恒星参数模型进行比较,以更准确地确定亚巨星的年龄。“利用盖亚的亮度数据,我们能够将一颗亚巨星的年龄精确到几个百分点。”向茂生说。
这些亚巨星分布在银河系的不同部分,这使得研究人员能够推测出其他部分的年龄,并建立一个银河系历史的时间表。
这项研究展示了银河系历史上两个截然不同的阶段。第一个阶段开始于8亿年前、银河系刚形成恒星的时候,银晕的内部区域也开始逐渐形成恒星。
20亿年后,一次合并推动厚盘中的恒星的形成。一个名为盖亚·香肠·土卫二(Gaia-Sausage-Enceladus)的矮星系与银河系合并。
盖亚·“香肠”·土卫二 (GSE) 矮星系的形状并不像香肠。它的名字来自于在图上画出它的恒星结构时,它的轨道是被高度拉长的。当 GSE与银河系合并时,它帮助形成了厚圆盘,而它形成过程中产生的气体也加速了银河系其他恒星的形成。这次合并也使得银晕中布满了恒星。天文学家认为球状星团NGC 2808可能是盖亚·香肠的残余核心部分(NGC 2808是银河系中质量最大的球状星团之一)。
GSE星系在厚盘中触发的恒星形成持续了大约40亿年。宇宙大爆炸后约60亿年,气体逐渐被耗尽。在此期间,银河系厚盘的金属丰度增加了十倍以上。
该研究还发现,在整个银盘中,金属丰度和恒星的年龄之间存在着非常紧密的关联。这意味着GSE附带的气体一定是不稳定的,导致它在银盘中被更彻底地混合。
直到2018年,天文学家才发现GSE与银河系的合并现象。类似的发现加深了我们对银河系历史的理解,银河系的发展时间线也越来越清晰,这项新研究为科学家们后续的研究提供了更详尽的支撑。
“自从2018年发现与盖亚·香肠·土卫二与银河系的合并后,天文学家就怀疑银河系在银晕形成之前就已经存在了,但我们并不能清楚地了解银河系的全貌。”向茂生说。
“我们的结果提供了有关银河系那一部分的详细信息,例如它的诞生日期、恒星形成率和元素形成史。使用盖亚数据将这些发现汇总在一起,将彻底改变我们对银河系形成时间和方式的认识。”
近年来,天文学家发现了更多关于银河系的细节。但是绘制银河系的结构是很有挑战性的,因为我们(指地球)正处于它的中间位置。欧空局的盖亚任务为我们提供了迄今为止最好的银河系恒星目录参考,而且每次发布的数据也越来越准确。
“随着每一次新分析和新数据的发布,盖亚让我们能够以前所未有的细节拼凑出我们银河系的历史。随着6月盖亚DR3数据的发布,天文学家将能够以更多细节填充银河系的历史。”欧洲航天局盖亚项目科学家蒂莫·普鲁斯蒂说。
盖亚任务至关重要,它对银河系等其他星系的观测也能让天文学家深入了解银河系的结构和历史。但是观测宇宙大爆炸后20亿年的星系是很困难的,这需要强大的红外望远镜来观测。幸运的是,一架期待已久的红外太空望远镜即将开启观测任务。
詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 具备追溯宇宙早期历史的能力。它可以观测到宇宙中最早的类似银河系的星系。
*詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST)
天文学家想要了解更多关于GSE合并的信息,以及它是如何在大爆炸20亿年之后导致恒星形成和塑造我们星系的厚盘的。JWST对类似银河系的古老的、高红移星系的观测可以帮助我们填补更详细的银河系历史。
6月,欧洲航天局将发布盖亚的第三次完整数据(DR3)。DR3目录将包含超过700万颗恒星的年龄、金属丰度和光谱,DR3和JWST将是一个强有力的组合。
这些数据能告诉我们哪些信息?随着宇宙的演化,星系要么吞噬其他星系,要么被其他星系吞噬。引力将各个星系吸引到一起,但由于暗能量的存在,加上宇宙也在膨胀,又会将各个星系推开。所以星系倾向于聚集成一个星系群,而我们的银河系则是属于本星系群。
由于星系的联合引力,这些星系群内部保持一致,但由于各个星系在不断扩张,它们彼此也在逐渐远离。最终,一个星系团中较小的星系会被最大的星系吞噬。
银河系已经吞噬了GSE和球状星团。它正在吞噬大麦哲伦星云,而大麦哲伦星云也在吞噬它更小的邻居——小麦哲伦星云。
最终,银河系将吞噬两者,然后在大约45亿年后,它将与更大的仙女座星系合并。
这非常奇怪——预测银河系的未来,比推测它的过去更容易。这就是不断膨胀的宇宙带给我们的难题:我们寻找的证据一直在离我们远去,消失在时间和距离中。
但是JWST和盖亚DR3有可能扭转这个局面。通过二者的合力,可以让我们更清楚地了解银河系的历史以及星系合并的细节。希望通过科学家们不懈的努力,我们最终会得到一个更全面的历史时间表,以便更好地认识宇宙。
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