物理学家眼中的银河系编年史

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当物理学家将思考的方向指向浩瀚的天体时,看似神秘的宇宙在人们眼中渐渐变得清晰。对天文感兴趣的物理竞赛党们,你们知道我们身处其中的母亲星系“银河系”如何从诞生走向死亡?天体物理学家们又是如何突破“不识庐山真面目,只缘身在此山中”的局限性?

刘超(国家天文台)

序言

太阳系太小,宇宙太大。前者正在逐渐从天文学演变成”地质学”和”生物学”,后者则把大部分细节隐藏在巨大阴影之后。横在中间的是拥有千亿恒星的银河系。因此在星辰大海般的宇宙征程开始之前,人类先要彻底地了解银河系。

我们对银河系的知识也许有朝一日会成为星际航行手册的第一章。但是对今天的天文学家而言,银河系现实的意义是作为一把解开整个宇宙演化秘密的钥匙。银河系的独特性在于,我们不仅很容易分辨出其中的恒星,还能够在三维空间上观察其结构;而其他河外星系,即便是用哈勃望远镜能分辨出其中的恒星,也仅是二维空间上的投影,很难分辨其三维结构。此外,仅仅借助中等尺寸的望远镜,我们就可以测量银河系中数以千万计恒星的距离、运动和化学组成,这也是河外星系所望尘莫及的。因此理所当然,我们应该对银河系了解更多。

但是自威廉•赫歇尔以来,尽管对银河系的系统性研究一直在进行,但是一个巨大的困难拖住了人们认识银河系的脚步——我们自己就身处在这个星系里,因此要想看到银河系的全貌,需要把整个天空全部扫描一遍,不仅是北半球,还包括南半球的天空。如此浩大的工程在20世纪中叶以前是不可想象的。

物理学家眼中的银河系编年史图1 从射电到伽马射线不同波段下看到的银河系。(图片来源:NASA)

然而,一方面得益于巡天望远镜技术的突破,另一方面受益于CCD等数字感光技术的发明和电子计算机的大规模使用,天文学家终于拥有了巡视整个星系的手段,并向公众展示出了银河系的全貌,不仅仅是在光学波段,还包括红外、射电、紫外和X射线等全电磁波段(图1)。

在此基础上,天文学家得以从不同角度揭示银河系的各种特征,并逐渐勾勒出银河系的演化历史。

点亮星系

和所有其他星系一样,银河系的诞生始于气体的坍缩。最初的时候,气体和暗物质粒子一起被引力束缚形成一个近似于球形的巨大团块,其中的气体原子因为耗散性而迅速失去能量向内坍缩。由于角动量总是守恒的,因此坍缩到质量团块内部的气体旋转速度加快,形成一个转动的气体盘。这就是胎儿形态的银河系了。
很快气体因为辐射能量而让自身冷却下来,冷却的气体才有机会进一步在更小尺度上凝聚在一起,最终触发了第一代恒星的形成。银河系在此刻被点亮了。想象宇宙深处有一群智慧生命,正在使用他们的超级望远镜观察银河系。他们看到的图像也许是这样的:一开始,他们只能在射电波段观察到一团中性氢气体团块,很快他们会看到分子云的辐射,接下来从紫外到红外波段他们会看到恒星最初的光芒(图2)。

物理学家眼中的银河系编年史图2 恒星形成区,紫色是年轻恒星发出的X射线辐射,浅绿色和红色是来自气体的辐射,暗色区则是较冷且致密的尘埃云。(图片来源:NASA)

原初的气体中除了氢和氦,几乎没有其它元素了。恒星结构理论认为这样的情况下更容易形成质量巨大的恒星,甚至达到太阳质量的百倍之多。它们也是最短命的恒星(质量越大的恒星越短命,反之越长命。例如质量约为太阳80%的恒星的寿命可以超过宇宙现在的年龄),在几千到几万年间迅速形成,通过剧烈的核反应燃烧氢、氦以及后来形成的较轻元素,然后在几百万到一千万年后用一次猛烈而短暂的超新星爆炸将自己粉碎,恒星内部核反应中形成的各种元素包括碳、氖、氧、硫、钙、硅、铝、钛、镁、铁等以及爆炸瞬间形成的更重的元素如铷、铯、金、铕等被一并释放到星际空间,同原来星际气体混合在一起。这样,随着一代一代恒星的死亡,星际气体中的金属元素(天文学把除了氢和氦以外的所有元素都称为金属元素)越来越多,在这样的星际气体中再形成的恒星也就包含了越来越多的金属元素。

宇宙间除了氢和氦以及极少量轻元素以外绝大多数元素都是从恒星的燃烧或超新星的爆炸中产生出来的。因此我们身体里除了氢和氦,其它原子都是恒星的产物,人类从这个意义上讲都是星星的孩子,是宇宙的一个组成份子。

不同年龄的恒星包含的金属丰度就像年轮一样反映了这些恒星所在家族(星族)的形成历史。如果发现恒星表面完全没有金属,那么这颗恒星很可能就是银河系第一代恒星了。因为第一代恒星大多质量较大,因此早已死亡,变成黑洞、中子星或白矮星了。所以今天银河系已经没有第一代恒星存在了。但是一部分小质量第二代恒星——包含第一代恒星产生的少量金属元素——依然存活着。它们是金属丰度极低的恒星。澳大利亚科学家在2013年发现了一颗极端贫金属星,它的铁丰度不到太阳的一千万分之一,是迄今发现的金属含量最少的恒星。它应该属于第二代恒星。寻找更多第二代恒星可以帮助天文学家了解银河系诞生的早期——也是宇宙的早期——原子核合成的具体过程。

通过分析太阳附近数以万计的银盘恒星的元素丰度,天文学家可以在某种程度上回溯历史,了解银河系盘的恒星形成历史。尽管天文学家们还远没有对银河系的恒星形成历史达成一致,但是他们还是普遍认为在80-100亿年以前,银河系的星系盘开始形成,并在最初的10-20亿年间保持着较高的恒星形成率。大量的大质量恒星从气体中脱颖而出,强烈的紫外辐射使得银河系看上去更蓝、更亮。这时的银河系到处都显得”星”机勃发、一片欣欣向荣的景象。不过对生命而言,整个星系都不算友好:星际环境非常严酷,不仅有强烈的高频电磁辐射(从紫外一直到X射线),密集发生的超新星爆炸和大质量恒星吹出的强烈星风还不时卷起高能宇宙射线风暴。脆弱的有机分子在这样猛烈的辐射下很难存活下来。

成长

高恒星形成率会把大量气体物质锁死在恒星内部,同时超新星爆炸产生的冲击也会把大量气体吹散,很多甚至被吹到银河系的晕中。这样,银盘上的恒星形成速度就因为生产材料的减少而逐渐慢下来。与此同时,越来越多的金属元素(碳、硅、镁、氮、铁等)会在星际气体中逐渐聚积,并在一定光化学反应下形成坚固的分子如石墨、硅酸盐(沙子的主要成分)等,于是星际尘埃逐渐形成了。星际尘埃有助于遮挡危险的宇宙射线和高频电磁辐射,使得更大更复杂的有机分子得以在气体和尘埃的包裹中逐渐形成。很多科学家相信,组成生命的基础分子——氨基酸和蛋白质——就在这样的星际环境中形成,并被彗星和陨石带到像地球这样环境适宜的行星上,生命因此而诞生。

此时的银河系整体上仍然是蓝色的,但是因为银盘上存在大量尘埃,它们会散射星光,短波受到散射的影响超过长波(这个现象被称为红化),因此在银盘上的颜色看上去比实际上要更红一些,尘埃密集的地方星光干脆被完全遮蔽。

物理学家眼中的银河系编年史图3 银河系中心方向致密的尘埃遮蔽了很多遥远的星光,形成黑黢黢的空域。

银盘上的恒星不断绕着银河系的中心转动。靠近银河系中心的银盘恒星轨道并不稳定,会逐渐演化长条形的稳定轨道。很多这样的恒星一起组成了一个棒状结构(因为我们无法直接观测银河系中心区的三维图像,图4给出了一个数值模拟的例子)。从银河系外面看来,这个棒状图案也在转动着。棒状结构的形成可能是最为复杂的星系动力学现象之一,至今还有很多没有解决的问题。研究棒状结构的一个重要意义在于,尽管它仅仅处在银河系的中心地带(其长度大约3-4千秒差距),但是由于棒的转动产生引力势场的周期性变化,而引力又是长程力,因此它的影响力可以在整个星系尺度上长期存在,并可能深刻地影响整个星系的演化历史。

物理学家眼中的银河系编年史
图4 数值模拟展示出银河系中心棒可能的三维结构在三个方向的投影。(图片来源:Shen et al. 2010,ApJ Letters, 720, 73)

除了中心棒,银盘上的气体还形成旋臂。60年代林家翘和徐遐生发展了驻密度波理论来解释旋臂形成的动力学机制。今天我们知道,尽管绝大多数漩涡星系的旋臂是密度波,但它们不是驻波,而是不断出现又消失的。同中心棒一样,旋臂图案也会在星系盘上保持一段时间,因此尽管凝聚了不多的气体质量,旋臂还是产生了微弱的周期性变化的引力势场(图5)。这个引力势场可以同一些恒星的运行轨道产生共振,就像我们在生活中常常遇到的那样,共振将这一微弱引力的影响放大了,从而显著改变了与之共振的恒星轨道的角动量和能量。很多理论家相信银河系的一组旋臂图案的生命周期只有大约10亿年左右,然后它就会消失,不过很快又形成了新的一组旋臂图案。这种不断产生的暂现的旋臂会不断激发那些产生共振的恒星离开它们的诞生地,或者向内盘,或者向外盘迁移。不要小看这些共振,在100亿年的时标上它们的作用是如此显著,以至于整个星系盘的形状都因此改变——星系盘变得更大、更散了。

物理学家眼中的银河系编年史图5 银河系的俯瞰示意图。太阳在正下方,两个显著的旋臂之间。

谢幕

宇宙间的一切似乎都有始有终。生命如此,恒星如此,星系也是如此。银河系诞生于宇宙的早期,到今天大约有100多亿岁了(最老的恒星的年龄)。它的归宿又在哪里呢?星系可能在某一天瓦解掉,就像很多较小质量的矮星系,最终在它附近的大质量星系的引力撕扯下瓦解掉了,其成员恒星被大质量星系据为己有。这样的弱肉强食故事在银河系早年也曾发生,它可能曾经吞噬了上百个附近的矮星系。如今这些矮星系的残骸构成了银河系暗淡而稀薄的恒星晕,包裹在巨大银盘的外面。被别的星系吞噬掉会是银河系的宿命吗?一部分理论家根据数值模拟判断在大约38亿年以后银河系可能会同距离最近的姐妹星系——仙女座星系(其质量和银河系很相似,也许略大一些)——合并成一个新的星系(图6),那时候银河系作为一个独立星系也就消亡了。

物理学家眼中的银河系编年史图6 地球上看到的仙女座星系和银河系碰撞和并合过程的想象图,并合将产生极为壮观、颜色绚丽的星爆(自上而下,左三),并最终形成一个光滑的椭圆星系(右下)。(图片来源:NASA)

在这种剧烈的合并发生之前,银河系可能会先演变成”僵尸”星系——虽然它还在发出红色的黯淡星光(主要由年老的小质量长寿恒星提供),但是已经没有新的恒星产生出来了,因为制造恒星的气体已经消耗光了。不再有恒星形成的星系变得死气沉沉,天文学家普遍使用”熄灭”这个词来描述星系的这类归宿。如今,在太阳附近恒星形成的速度大约是每立方秒差距的体积里每年有一颗新恒星形成。这个速度比起几十亿年以前的银盘可是慢了很多。这个速度还会继续慢下去,所以星系的“熄灭”是一个痛苦难熬的漫长过程,完全不像瓦解和并合那样痛快。但是气体耗尽那一天终会到来,有人甚至认为今天的银河系正在成为一个就要“熄灭”的星系。

银河系研究的历史、现状与未来

当远古人类第一次抬头仰望星空的时候,银河系就已经在人们的视野中了。在1922年埃德温•哈勃证认了河外星系的存在从而开创了星系天文学以前,银河系就是宇宙,宇宙就是银河系。

1989年欧洲空间局发射了依巴谷(Hipparcos)天体测量卫星,对太阳附近10万颗恒星的距离和切向运动做出了精确测量。自此以后,天文学家开始了对银河系研究的黄金时代。对银河系的大量认识也变得更加精确。二十世纪九十年后期开展的2微米全天巡天项目(2MASS)在近红外波段观测恒星,由于在红外波段星际尘埃的红化作用非常微小,因此可以深入观察被尘埃包裹的银河系的内部区域。而革命性的观测来自21世纪初的斯隆数字化巡天(SDSS),它不仅扫描了全天四分之一左右的星空,获得了高精度多色图像,而且使用多目标光纤光谱仪对大约60万颗恒星做了光谱观测。从光谱数据可以更加精确地获得恒星的物理参数,化学成分和视向速度,因此可以更好地描述银河系的运动和演化。从这些信息中天文学家们发现银河系周围存在十多个非常暗淡的矮星系,还看到了十多个瓦解掉的矮星系或球状星团的遗迹,并且对银河系的厚盘起源有了新的认识。他们还成功地测量到银河系的总质量大约为1万亿太阳质量(包括了气体、恒星和暗物质)。

如今,SDSS银河系巡天的继承者APOGEE巡天正在接替前任。它工作在近红外波段可以获得银河系靠近中心区域的恒星的光谱信息。

物理学家眼中的银河系编年史图7 郭守敬望远镜(LAMOST),位于国家天文台河北兴隆观测站。

我国天文学界也不甘落后,使用4米级的郭守敬望远镜开展了大规模的银河系光谱巡天(LAMOST巡天,图7)。自2011年开始观测以来,LAMOST项目已经收集了七百万条恒星光谱,成为世界上最大的恒星光谱库。天文学家们正在使用这一宝贵数据库来揭示越来越多银河系演化的秘密。

欧洲空间局在2013年12月19日发射了新一代天体测量卫星Gaia(图8),它的距离测量精度超过依巴谷卫星两个数量级。它可以分辨的恒星最小位移差不多相当于放在月球上一枚硬币的直径大小!Gaia将观测全天10亿颗恒星的距离和切向运动,配合地面的光谱巡天数据,我们可以精确获得其中约1000万到1亿颗恒星的空间位置和三维运动。这些信息将帮助天文学家进一步了解银河系运动的细节,掌握星系演化的密码,推断星系在茫茫宇宙中的诞生、成长和死亡历程,最终编纂出精确的银河系编年史。

物理学家眼中的银河系编年史图8 Gaia卫星(图片来源:ESA)

作者简介

刘超:在北京大学计算机科学系获硕士学位(1999),2008年在中国科学院国家天文台获博士学位。其后(2009-2012)在德国马普天文研究所从事博士后研究,参与欧洲空间局Gaia项目研发。现为国家天文台副研究员。主要研究领域:星系动力学、星际消光、银河系和LAMOST巡天。

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