銀河系編年史：一個星系的一生

科技 06-30

銀河系編年史：一個星系的一生

我們身處其中的母親星系「銀河系」如何從誕生走向死亡？天文學家如何突破「不識廬山真面目，只緣身在此山中」的局限性？請聽作者娓娓道來。

劉超（國家天文台）

序言

太陽系太小，宇宙太大。前者正在逐漸從天文學演變成」地質學」和」生物學」，後者則把大部分細節隱藏在巨大陰影之後。橫在中間的是擁有千億恆星的銀河系。因此在星辰大海般的宇宙征程開始之前，人類先要徹底地了解銀河系。

我們對銀河系的知識也許有朝一日會成為星際航行手冊的第一章。但是對今天的天文學家而言，銀河系現實的意義是作為一把解開整個宇宙演化秘密的鑰匙。銀河系的獨特性在於，我們不僅很容易分辨出其中的恆星，還能夠在三維空間上觀察其結構；而其他河外星系，即便是用哈勃望遠鏡能分辨出其中的恆星，也僅是二維空間上的投影，很難分辨其三維結構。此外，僅僅藉助中等尺寸的望遠鏡，我們就可以測量銀河系中數以千萬計恆星的距離、運動和化學組成，這也是河外星系所望塵莫及的。因此理所當然，我們應該對銀河系了解更多。

但是自威廉?赫歇爾以來，儘管對銀河系的系統性研究一直在進行，但是一個巨大的困難拖住了人們認識銀河系的腳步——我們自己就身處在這個星系裡，因此要想看到銀河系的全貌，需要把整個天空全部掃描一遍，不僅是北半球，還包括南半球的天空。如此浩大的工程在20世紀中葉以前是不可想像的。

圖1 從射電到伽馬射線不同波段下看到的銀河系。（圖片來源：NASA）

銀河系編年史：一個星系的一生

然而，一方面得益於巡天望遠鏡技術的突破，另一方面受益於CCD等數字感光技術的發明和電子計算機的大規模使用，天文學家終於擁有了巡視整個星系的手段，並向公眾展示出了銀河系的全貌，不僅僅是在光學波段，還包括紅外、射電、紫外和X射線等全電磁波段（圖1）。

在此基礎上，天文學家得以從不同角度揭示銀河系的各種特徵，並逐漸勾勒出銀河系的演化歷史。

點亮星系

和所有其他星系一樣，銀河系的誕生始於氣體的坍縮。最初的時候，氣體和暗物質粒子一起被引力束縛形成一個近似於球形的巨大團塊，其中的氣體原子因為耗散性而迅速失去能量向內坍縮。由於角動量總是守恆的，因此坍縮到質量團塊內部的氣體旋轉速度加快，形成一個轉動的氣體盤。這就是胎兒形態的銀河系了。

很快氣體因為輻射能量而讓自身冷卻下來，冷卻的氣體才有機會進一步在更小尺度上凝聚在一起，最終觸發了第一代恆星的形成。銀河系在此刻被點亮了。想像宇宙深處有一群智慧生命，正在使用他們的超級望遠鏡觀察銀河系。他們看到的圖像也許是這樣的：一開始，他們只能在射電波段觀察到一團中性氫氣體團塊，很快他們會看到分子雲的輻射，接下來從紫外到紅外波段他們會看到恆星最初的光芒（圖2）。

圖2 恆星形成區，紫色是年輕恆星發出的X射線輻射，淺綠色和紅色是來自氣體的輻射，暗色區則是較冷且緻密的塵埃雲。（圖片來源：NASA）

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原初的氣體中除了氫和氦，幾乎沒有其它元素了。恆星結構理論認為這樣的情況下更容易形成質量巨大的恆星，甚至達到太陽質量的百倍之多。它們也是最短命的恆星（質量越大的恆星越短命，反之越長命。例如質量約為太陽80％的恆星的壽命可以超過宇宙現在的年齡），在幾千到幾萬年間迅速形成，通過劇烈的核反應燃燒氫、氦以及後來形成的較輕元素，然後在幾百萬到一千萬年後用一次猛烈而短暫的超新星爆炸將自己粉碎，恆星內部核反應中形成的各種元素包括碳、氖、氧、硫、鈣、硅、鋁、鈦、鎂、鐵等以及爆炸瞬間形成的更重的元素如銣、銫、金、銪等被一併釋放到星際空間，同原來星際氣體混合在一起。這樣，隨著一代一代恆星的死亡，星際氣體中的金屬元素（天文學把除了氫和氦以外的所有元素都稱為金屬元素）越來越多，在這樣的星際氣體中再形成的恆星也就包含了越來越多的金屬元素。

宇宙間除了氫和氦以及極少量輕元素以外絕大多數元素都是從恆星的燃燒或超新星的爆炸中產生出來的。因此我們身體里除了氫和氦，其它原子都是恆星的產物，人類從這個意義上講都是星星的孩子，是宇宙的一個組成份子。

不同年齡的恆星包含的金屬丰度就像年輪一樣反映了這些恆星所在家族（星族）的形成歷史。如果發現恆星表面完全沒有金屬，那麼這顆恆星很可能就是銀河系第一代恆星了。因為第一代恆星大多質量較大，因此早已死亡，變成黑洞、中子星或白矮星了。所以今天銀河系已經沒有第一代恆星存在了。但是一部分小質量第二代恆星——包含第一代恆星產生的少量金屬元素——依然存活著。它們是金屬丰度極低的恆星。澳大利亞科學家在2013年發現了一顆極端貧金屬星，它的鐵丰度不到太陽的一千萬分之一，是迄今發現的金屬含量最少的恆星。它應該屬於第二代恆星。尋找更多第二代恆星可以幫助天文學家了解銀河系誕生的早期——也是宇宙的早期——原子核合成的具體過程。

通過分析太陽附近數以萬計的銀盤恆星的元素丰度，天文學家可以在某種程度上回溯歷史，了解銀河系盤的恆星形成歷史。儘管天文學家們還遠沒有對銀河系的恆星形成歷史達成一致，但是他們還是普遍認為在80－100億年以前，銀河系的星系盤開始形成，並在最初的10－20億年間保持著較高的恆星形成率。大量的大質量恆星從氣體中脫穎而出，強烈的紫外輻射使得銀河系看上去更藍、更亮。這時的銀河繫到處都顯得」星」機勃發、一片欣欣向榮的景象。不過對生命而言，整個星系都不算友好：星際環境非常嚴酷，不僅有強烈的高頻電磁輻射（從紫外一直到X射線），密集發生的超新星爆炸和大質量恆星吹出的強烈星風還不時捲起高能宇宙射線風暴。脆弱的有機分子在這樣猛烈的輻射下很難存活下來。

成長

高恆星形成率會把大量氣體物質鎖死在恆星內部，同時超新星爆炸產生的衝擊也會把大量氣體吹散，很多甚至被吹到銀河系的暈中。這樣，銀盤上的恆星形成速度就因為生產材料的減少而逐漸慢下來。與此同時，越來越多的金屬元素（碳、硅、鎂、氮、鐵等）會在星際氣體中逐漸聚積，並在一定光化學反應下形成堅固的分子如石墨、硅酸鹽（沙子的主要成分）等，於是星際塵埃逐漸形成了。星際塵埃有助於遮擋危險的宇宙射線和高頻電磁輻射，使得更大更複雜的有機分子得以在氣體和塵埃的包裹中逐漸形成。很多科學家相信，組成生命的基礎分子——氨基酸和蛋白質——就在這樣的星際環境中形成，並被彗星和隕石帶到像地球這樣環境適宜的行星上，生命因此而誕生。

此時的銀河系整體上仍然是藍色的，但是因為銀盤上存在大量塵埃，它們會散射星光，短波受到散射的影響超過長波（這個現象被稱為紅化），因此在銀盤上的顏色看上去比實際上要更紅一些，塵埃密集的地方星光乾脆被完全遮蔽。

圖3 銀河系中心方向緻密的塵埃遮蔽了很多遙遠的星光，形成黑黢黢的空域。

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銀盤上的恆星不斷繞著銀河系的中心轉動。靠近銀河系中心的銀盤恆星軌道並不穩定，會逐漸演化長條形的穩定軌道。很多這樣的恆星一起組成了一個棒狀結構（因為我們無法直接觀測銀河系中心區的三維圖像，圖4給出了一個數值模擬的例子）。從銀河系外面看來，這個棒狀圖案也在轉動著。棒狀結構的形成可能是最為複雜的星系動力學現象之一，至今還有很多沒有解決的問題。研究棒狀結構的一個重要意義在於，儘管它僅僅處在銀河系的中心地帶（其長度大約3－4千秒差距），但是由於棒的轉動產生引力勢場的周期性變化，而引力又是長程力，因此它的影響力可以在整個星系尺度上長期存在，並可能深刻地影響整個星系的演化歷史。

圖4 數值模擬展示出銀河系中心棒可能的三維結構在三個方向的投影。（圖片來源：Shen et al. 2010，ApJ Letters, 720, 73）

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除了中心棒，銀盤上的氣體還形成旋臂。60年代林家翹和徐遐生髮展了駐密度波理論來解釋旋臂形成的動力學機制。今天我們知道，儘管絕大多數漩渦星系的旋臂是密度波，但它們不是駐波，而是不斷出現又消失的。同中心棒一樣，旋臂圖案也會在星系盤上保持一段時間，因此儘管凝聚了不多的氣體質量，旋臂還是產生了微弱的周期性變化的引力勢場（圖5）。這個引力勢場可以同一些恆星的運行軌道產生共振，就像我們在生活中常常遇到的那樣，共振將這一微弱引力的影響放大了，從而顯著改變了與之共振的恆星軌道的角動量和能量。很多理論家相信銀河系的一組旋臂圖案的生命周期只有大約10億年左右，然後它就會消失，不過很快又形成了新的一組旋臂圖案。這種不斷產生的暫現的旋臂會不斷激發那些產生共振的恆星離開它們的誕生地，或者向內盤，或者向外盤遷移。不要小看這些共振，在100億年的時標上它們的作用是如此顯著，以至於整個星系盤的形狀都因此改變——星系盤變得更大、更散了。

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圖5 銀河系的俯瞰示意圖。太陽在正下方，兩個顯著的旋臂之間。

謝幕

宇宙間的一切似乎都有始有終。生命如此，恆星如此，星系也是如此。銀河系誕生於宇宙的早期，到今天大約有100多億歲了（最老的恆星的年齡）。它的歸宿又在哪裡呢？星系可能在某一天瓦解掉，就像很多較小質量的矮星系，最終在它附近的大質量星系的引力撕扯下瓦解掉了，其成員恆星被大質量星系據為己有。這樣的弱肉強食故事在銀河系早年也曾發生，它可能曾經吞噬了上百個附近的矮星系。如今這些矮星系的殘骸構成了銀河系暗淡而稀薄的恆星暈，包裹在巨大銀盤的外面。被別的星系吞噬掉會是銀河系的宿命嗎？一部分理論家根據數值模擬判斷在大約38億年以後銀河系可能會同距離最近的姐妹星系——仙女座星系（其質量和銀河系很相似，也許略大一些）——合并成一個新的星系（圖6），那時候銀河系作為一個獨立星系也就消亡了。

圖6 地球上看到的仙女座星系和銀河系碰撞和併合過程的想像圖，併合將產生極為壯觀、顏色絢麗的星爆（自上而下，左三），並最終形成一個光滑的橢圓星系（右下）。（圖片來源：NASA）

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在這種劇烈的合并發生之前，銀河系可能會先演變成」殭屍」星系——雖然它還在發出紅色的黯淡星光（主要由年老的小質量長壽恆星提供），但是已經沒有新的恆星產生出來了，因為製造恆星的氣體已經消耗光了。不再有恆星形成的星系變得死氣沉沉，天文學家普遍使用」熄滅」這個詞來描述星系的這類歸宿。如今，在太陽附近恆星形成的速度大約是每立方秒差距的體積里每年有一顆新恆星形成。這個速度比起幾十億年以前的銀盤可是慢了很多。這個速度還會繼續慢下去，所以星系的「熄滅」是一個痛苦難熬的漫長過程，完全不像瓦解和併合那樣痛快。但是氣體耗盡那一天終會到來，有人甚至認為今天的銀河系正在成為一個就要「熄滅」的星系。

銀河系研究的歷史、現狀與未來

當遠古人類第一次抬頭仰望星空的時候，銀河系就已經在人們的視野中了。在1922年埃德溫?哈勃證認了河外星系的存在從而開創了星系天文學以前，銀河系就是宇宙，宇宙就是銀河系。

1989年歐洲空間局發射了依巴谷（Hipparcos）天體測量衛星，對太陽附近10萬顆恆星的距離和切向運動做出了精確測量。自此以後，天文學家開始了對銀河系研究的黃金時代。對銀河系的大量認識也變得更加精確。二十世紀九十年後期開展的2微米全天巡天項目（2MASS）在近紅外波段觀測恆星，由於在紅外波段星際塵埃的紅化作用非常微小，因此可以深入觀察被塵埃包裹的銀河系的內部區域。而革命性的觀測來自21世紀初的斯隆數字化巡天（SDSS），它不僅掃描了全天四分之一左右的星空，獲得了高精度多色圖像，而且使用多目標光纖光譜儀對大約60萬顆恆星做了光譜觀測。從光譜數據可以更加精確地獲得恆星的物理參數，化學成分和視向速度，因此可以更好地描述銀河系的運動和演化。從這些信息中天文學家們發現銀河系周圍存在十多個非常暗淡的矮星系，還看到了十多個瓦解掉的矮星系或球狀星團的遺迹，並且對銀河系的厚盤起源有了新的認識。他們還成功地測量到銀河系的總質量大約為1萬億太陽質量（包括了氣體、恆星和暗物質）。

如今，SDSS銀河系巡天的繼承者APOGEE巡天正在接替前任。它工作在近紅外波段可以獲得銀河系靠近中心區域的恆星的光譜信息。

圖7 郭守敬望遠鏡（LAMOST），位於國家天文台河北興隆觀測站。

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我國天文學界也不甘落後，使用4米級的郭守敬望遠鏡開展了大規模的銀河系光譜巡天（LAMOST巡天，圖7）。自2011年開始觀測以來，LAMOST項目已經收集了七百萬條恆星光譜，成為世界上最大的恆星光譜庫。天文學家們正在使用這一寶貴資料庫來揭示越來越多銀河系演化的秘密。

歐洲空間局在2013年12月19日發射了新一代天體測量衛星Gaia（圖8），它的距離測量精度超過依巴谷衛星兩個數量級。它可以分辨的恆星最小位移差不多相當於放在月球上一枚硬幣的直徑大小！Gaia將觀測全天10億顆恆星的距離和切向運動，配合地面的光譜巡天數據，我們可以精確獲得其中約1000萬到1億顆恆星的空間位置和三維運動。這些信息將幫助天文學家進一步了解銀河系運動的細節，掌握星系演化的密碼，推斷星系在茫茫宇宙中的誕生、成長和死亡歷程，最終編纂出精確的銀河系編年史。

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