在銀河系中尋找星際戰俘

夜空中的點點繁星並非全是我們銀河系的土著居民，許多誕生於其他星系的恆星混雜其間，幽幽地訴說著它們的家園被銀河系侵佔瓦解、它們自己被銀河系掠奪俘虜的悲慘歷史。找出這些星際戰俘，追溯它們的來龍去脈，就能重建銀河系征戰侵略、發展壯大的歷史，甚至還能探測銀河系最黑暗的秘密——暗物質的分布及其本質。

撰文羅德里戈·伊巴塔（Rodrigo Ibata）

布拉德·吉布森（Brad Gibson）

翻譯謝懿

審校趙剛

仰望星空，你能看見的所有恆星都是銀河系的成員。離我們最近的大星系——仙女座星系（Andromeda）——遠在至少200萬光年以外，這個距離相當於銀河系星盤直徑的20 倍。肉眼無法分辨出仙女座星系中的單顆恆星，它們聚集在一起，看上去只是一個暗弱的光斑。對於銀河系而言，那些恆星猶如居住在另外一個獨立的宇宙之中。反過來，你也許會很自然地認為，天空中的恆星都是銀河系中土生土長的土著居民。

事實真的如此嗎？以北天球第二亮星大角（Arcturus，牧夫座α星）為例，它的運動方式與銀河系中絕大部分恆星都略有不同，化學組成也有細微的差異。只有少數恆星有著與它相同的古怪特徵，不過它們都散落在銀河系的各個角落。從20世紀60年代開始，這些非典型恆星（還包括其他不同類型的非典型恆星）的起源，引發了一場激烈的學術爭論。是銀河系旋臂的引力迫使它們進入了古怪的軌道，還是它們根本就是形成於銀河系外的「星際移民」？

近年來，一些尖端調查技術被運用到天文學等諸多科學領域。藉助這些技術，天文學家發現，兩種起源都是存在的。一些非典型恆星確實誕生於銀河系中，後來被推入了特殊的軌道；然而也有數量大得驚人的非典型恆星（包括大角星在內）是貨真價實的「星際移民」。確切地說，它們並不是自願移民銀河系的，也許稱它們為「星際戰俘」更為貼切。天文學家認為，這些恆星形成於較小的星系，這些星系後來被銀河系俘獲、掠奪和消化。在漫長的演化過程中，銀河系已經征服了數百個這樣的近鄰。它們先前的居民現在也已混雜到了銀河系的土著居民之間，僅僅留下一個對故鄉的朦朧記憶。找到了這些恆星，天文學家就可以重建銀河系的掠奪歷史，並且探測它最黑暗的秘密——主宰著銀河系命運的神秘暗物質。

星際移民

小星系一旦靠近巨星系，就會受到強大的引力潮汐作用，逐漸扭曲、瓦解，並被拉成纖細而壯觀的星流。

發現這些星際移民，需要一雙銳利的眼睛。從理論上說，這些恆星會排成長長的一串（也就是星流，stream），從而暴露自己的行蹤，就像擁擠舞池中的康加舞隊一樣（康加舞起源於拉丁美洲，舞者會排成一個長隊一起舞蹈）。逆流追溯，有些星流會通向球狀星團或者銀河系的某個衛星星系——那裡大概是星流中恆星的發源地，有些星流則通往那些發源地如今僅存的遺迹。但實際上，由於「土著居民」相對均勻地分布在銀河系中，星流幾乎無法從點點繁星中突顯出來，也就很難被人發現。為了克服這一難題，最近許多研究人員都採用了「匹配過濾」技術（matched-filter technique），這是第二次世界大戰時期開發出來的技術，當時被用來獲得來犯敵機的清晰影像。只要知道了土著恆星和「星際移民」的大致形態，這項技術就能過濾掉前者，讓星流顯現出來。

本文作者之一伊巴塔及同事在1994年發現的人馬座星流，可能是最令人印象深刻的已知星流。這條星流宛如一串巨大的恆星項鏈，環繞在銀河系周圍。它的跨度超過100萬光年，包含了大約1億顆恆星，一直連接到人馬座矮橢圓星系（Sagittarius dwarf elliptical galaxy，「矮」是指星系規模很小，「橢圓」是指星系形狀呈橢球狀）。銀河系周圍與它類似的小星系共有15~20個，它們就像衛星繞著行星一樣圍繞銀河系旋轉（因此又被稱為衛星星系）。這些衛星星系大小不等，既有質量約為銀河系十分之一的大麥哲倫雲（Large Magellanic Cloud），也有質量為銀河系百分之一的人馬座矮星系，甚至還有質量僅有銀河系百萬分之一的暗弱星系。

居住在銀河系附近可不是一件舒服的事情。這些小星系會逐漸變形，並被最終瓦解。人馬座矮星系已經垂死掙扎了幾十億年，現已經走向瓦解。它的恆星將散落在整個銀河系中，現在這樣的星流也會逐漸消失，未來的天文學家將很難把它們與銀河系的土著恆星區分開來。其他幾個小星系也正在被銀河系肢解，有些現在只剩下了一條星流（見第81頁的表格）。大麥哲倫雲則代表了另一類較為少見的現象——銀河系從那裡奪走的是氣體，而不是恆星。

星系瓦解背後的機制是潮汐作用，這是我們非常熟悉的，同樣的機制在地球上產生了海洋的潮起潮落。一個天體的不同部分經受不同的引力作用時，潮汐力就會產生。月球對地球朝向它的一面所施加的引力，比對背向它的一面施加的引力更大。兩個力之間的差異儘管很小，不足以扯碎地球，卻足以讓海洋微微隆起。隨著兩個天體的相互繞轉，海洋的隆起部位也會跟著轉動，使地球上某一地點的海平面出現周期性的抬升或降低。與此類似，銀河系也會在衛星星系或星團的一側，施加比另一側更大的引力作用，使它們扭曲變形。在這樣的作用下，衛星星系或星團中的恆星會逐漸被銀河系拖走。久而久之，衛星星系失去的恆星就會越來越多。這些恆星像麵包上掉落的麵包屑一般，在衛星星系的前後形成了長長的尾巴。

更微妙的線索

星流會被銀河系逐漸吸收，最終化為無形。然而六維相空間中的微妙線索，卻能在茫茫星海之中，找到這些「星際移民」的蛛絲馬跡。

如此看來，人馬座矮星系等衛星星系在銀河系的構建過程中做出過貢獻。這些發現徹底改變了天文學家原先對星系形成的理論認識：他們曾經認為，所有的星系都直接起源於原始宇宙中幾乎察覺不到的物質密度漲落（天文學家觀測證實，早期宇宙各處的物質密度幾乎相同，僅有大約萬分之三的差異），其後便經歷了早期的雪崩式生長，很快演化成現在這副模樣。現在，基於對星流的觀測，研究人員普遍認為，只有質量不超過10億倍太陽的矮星系經歷了這樣的快速形成過程；像銀河系這樣質量相當於千億顆太陽的大型星系，則是後來通過吸積和吞併矮星系而逐漸形成的。這種吞併過程一直持續至今，不過強度已大不如前。

銀河系吞噬近鄰星系的過程被天文學家抓了個正著，他們又提出了更加深入的問題：這些古老的星系「建築原料」具有什麼樣的化學組成？現在的大型星系中「星際移民」和「土著居民」的比例是多少？這些小星系帶來的化學元素如何改變銀河系早期的演化歷史？這些星流就像化石一樣，記錄著星系構建的歷史，除此之外，它們還能在探測暗物質方面大顯身手。

要弄清這些問題，天文學家不僅需要了解哪些恆星正在被銀河系掠奪，還要知道哪些恆星是已經被俘虜過來的。研究人員遇到的困難在於，一旦外來的恆星和氣體混入銀河系，我們就無法通過特有的空間分布來識別它們。天文學家必須找到更微妙的線索，來追溯這些恆星的起源，例如它們的運動模式和化學組成上的一些難以抹去的固有特徵。

我們都習慣用位置和速度來刻畫物體的運動。但運動還有其他不同的特性，可以用諸如能量和角動量之類的物理量來描述。正如物體的空間位置能夠用3個坐標來描述，因此被稱為三維空間一樣，我們也可以用位置加上動量（一共6個物理量）來描述物體的運動狀態，這個抽象的六維空間被稱為相空間（phase space）。相空間的優點在於，與真實空間相比，恆星在相空間中的排列模式更有還原性（這裡是指經歷巨大變化之後恢復原狀的能力）。儘管星系的吞併消化過程通常會破壞星流的空間結構，卻無法抹去它們在相空間的整體結構。這就是統計力學中的一個重要原理——劉維定理（Liouville s theorem）。

因此，通過測量能量、角動量和相空間中恆星隨機樣本的密度，研究人員就能識別出無法直接觀測到的星群。它們是很久以前被銀河系瓦解的衛星星系的魅影。幾個研究小組，例如荷蘭卡普坦天文研究所（Kapteyn Astronomical Institute，位於格羅寧根市）的阿明娜·希勒米（Amina Helmi）和美國華盛頓大學的克里斯·B·布魯克（Chris B. Brook）各自領導的小組，已經用這項技術發現了一些被吞併的衛星星系的遺迹。

獨特的化學指紋

「星際移民」的化學指紋與銀河系土著極為不同，這項技術可以幫助我們追溯它們的共同起源，重建銀河系的侵略歷史。

另一項令人興奮的技術被稱為「化學指紋」（chemical fingerprinting）。絕大多數恆星都不是單獨形成的，而是和成千上萬顆恆星一起，從同一塊星雲中誕生的。每一塊星雲都有特有的化學元素和同位素混合比例，並被從中誕生的恆星繼承下來。即使這群恆星分散開來，它們仍然會帶著這種特有的化學標記，讓天文學家能夠追溯它們的發源地。加拿大維多利亞大學（位於大不列顛哥倫比亞省）的金·A·維恩（Kim A. Venn）及同事已經證明，誕生於矮星系的恆星和典型的銀河系「土著居民」擁有極為不同的化學組成。

擺在天文學家面前的一道更大的難題是，有沒有可能追查出單顆恆星的誕生地點。歐洲南方天文台（European Southern Observatory）的加揚蒂·德席爾瓦（Gayandhi De Silva）及其同事，最近對銀河系最著名的星團之一——畢星團（Hyades）進行了細緻的化學研究。他們發現，星團中的恆星幾乎擁有完全相同的化學元素丰度，這預示著化學指紋確實可以幫助天文學家確定恆星的共同起源。也許有一天，他們會找到太陽的同胞兄弟姐妹——那些與太陽形成於同一星雲，現在卻各奔東西、散佈於銀河系各處的恆星。

當我們發現人馬座矮星系的星流時，許多同事認為這僅僅是一個有趣的發現，並沒有太大的意義。但是不久之後，它就成了銀河系併合與吸積歷史的典型例證。現在天文學家已經普遍認為，併合與吸積才是星系形成與演化的主要推動力。被吞併的星系帶來了新的恆星、氣體和暗物質，同時也觸發了大規模的恆星形成。正是這些星際移民使我們的銀河系保持著勃勃生機。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！