动荡的银河系.doc

动荡的银河系 新的天文观测数据，为我们绘制了一幅前所未有的银河系图景，也让科学家重新审视我们的银河系。这个诞生于混沌时期的大型星系，曾经历了剧烈的演化过程，且目前仍处于动荡的复杂状态。未来，注定将会有一场浩劫。 也许你曾在某个夜晚，看到过那一条横跨夜空的苍白光带，罗马人称它为银星辰（via lactea），即银河系。自上世纪20年代以来，天文学家已经知道这条光带是我们在银河系边缘所看到的景象：在一个巨大的“风车”里面，充满了星云、气体云和数千亿颗恒星。在上世纪大部分时间里，天文学家一直认为我们的银河系及其他类似的星系都非常安静：今天这种沉闷、缓慢旋转的结构，在许多亿年前就已形成并过度到了平淡的“中年”。 自上世纪七八十年代以来，新一代地面及空间望远镜开始绘制银河系的全景图像范围从微波段到X射线波段，得到了一幅过去无法想象的多彩景象。天文学家便开始重新审视银河系。到21世纪初，科学家通过系统的天文观测，发现银河系的结构蔓延整个天空，其范围之大，过去竟无人注意到。最近十年，许多研究团队竞相建立更强大的计算机模拟系统，从宇宙到星团，在每个量级的尺度上，对星系的起源进行建模。2013年，位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA），将以前所未有的精度绘制银河系的细节部分。暗物质晕 银河系诞生于暗物质，目前无人知道它到底是什么。暗物质的重量超过了普通物质（包括恒星、气体及其他一切由原子构成的东西）的5倍，目前只能通过它对可见恒星和星系的引力作用来探测到它。上世纪70年代，已知道银河系包括所有其他的星系，都被紧紧包裹在暗物质中。如果没有它，由普通物质产生的引力，远远不足以维持星系结构的稳定。 作为宇宙大爆炸（大约发生在距今137亿年前）的直接后果，引力使暗物质原本很细微的不规则性得到了增强，从而在各个宇宙尺度上，形成越来越致密的团块。宇宙学模拟显示，这个团块的形成过程，必然会演变成充满物质碰撞与并合的混沌状态。在大爆炸发生10亿年后，这些东西渐渐稳定下来，形成了一些类似于环绕银河系的暗物质团块：一个直径约为几十万秒差距（1秒差距约为3.2光年）的球星晕，其质量约为太阳质量的1万亿倍，其中包含着数量众多的子晕最小的只有地球质量大小。在这个暗物质晕的内部，有一层由原始氢气和氦气构成的薄雾，它们是被暗物质的引力拉进来的。几亿年后，这些薄雾开始冷却并逐渐凝聚，形成恒星，这就是形成银河系最初的物质原料。暗物质只回答了引力的问题，但把普通物质转化成今天的星系结构（其中充满着碰撞、耗散、冷却、加热、爆炸等过程）是非常复杂的。矮星系 在暗物质子晕中存在一种复杂情况。只要它们的质量超过一定值（目前尚未确定具体数值），就可以把足够多的气体拉进来形成恒星，从而把自己变成矮星系恒星和气体的不规则聚合体，质量约为当前银河系总质量的1%。倘若真是这样，那银河系周围应该有几千个矮星系，但目前天文学家只发现了20多个。对于上述差距，一个可能的解释是，银河系周围确实有很多个矮星系，但由于它们包含大量的暗物质，所以变得极其“昏暗”，难以观测到。例如矮星系 Segue I 就含有比可见物质多1000倍的暗物质。 我们对那些极其“昏暗”的矮星系非常感兴趣，因为它们为我们提供了一个暗物质子晕质量的临界值，低于此质量，暗物质子晕就无法吸引气体来形成恒星和宿主星系。当然也不排除有些暗物质子晕由于自身太小，一直就无法形成恒星，所以我们就看不到它们。要想发现一个含有极少星系的暗物质团，就得探测到它对附近矮星系或恒星流的引力效应，而这些效应尚未被明确地观测到。我们很想找到一个不包含星系的暗物质子晕，这是我们最想看到的东西之一。 还有一种可能就是，过去星系周围的确形成了很多矮星系，但由于第一代恒星非常巨大和炎热，它们的爆炸吹走了所有较小的暗物质子晕中的气体和恒星，只留下一些较大的暗物质子晕。恒星晕 无论是哪种方式，星系的形成都在快速进行，在此过程中，气体和矮星系向内旋转，堆积在暗物质晕中心的气体和恒星的质量也在不断增加。由于离心作用，矮星系被甩得到处都是，这就是我们原始的银河系。这完全是一团乱麻，一些矮星系会由于太过靠近不断增长的星系内核而被它的引力拉进去。 时至今日，在银河系外围的区域，似乎还有类似事件发生：各种恒星流星还沿着矮星系原来的轨道绕银河系旋转。这些横跨天空的恒星流由于太过昏暗而难以识别，但天文学家还是发现越来越多这样的例子。其中一个就是人马座矮星系及其附属恒星流，已经发现这个矮星系正在瓦解。 这些恒星流穿过昏暗的恒星晕弥漫在银河系周围大约十万秒差距的范围内，形成了一个总质量约为10亿个太阳质量的球体。这个恒星晕可能只是几十亿年前矮星系的残余，但也不排除是由其他因素造成的。 2007年确认了恒星晕被分成内层和外层部分的早期迹象。通过观测外层晕中恒星的光谱部分，发现在外层晕中一般只含有微量的重元素（例如铁）。这表明了这些恒星来源于宇宙中第一代恒星（大爆炸后不到10亿年形成的）。外层晕中重元素的精确分布，可以告诉我们那些很早就消失了的第一代恒星是什么样子。 内层晕中的那些恒星，不但含有较多的铁元素，而且更加年轻。它们的年龄大约只有114亿年。此外，外层晕中恒星的整体运动方向与银河系相反，而内层晕中恒星的旋转方向与银河系相同。银盘 此模式表示，恒星晕的外层晕是由矮星系瓦解的残余形成的，而内层晕则是中心漩涡的遗迹：在此漩涡中，原始的银河系坍缩形成了“风车”的形状（现在）。早在几十年前，人们就已经理解了这个坍缩过程的动力学规律：被暗物质吸进来的气体和矮星系之间的每一次碰撞，都会耗散两者的一部分转动能量，使它们进一步向内坠落。随着气体和矮星系越来越接近中心，即使只有很小的随机转动都会被放大。同时随着下落物质的旋转速度越来越快，这些物质被逐步地压缩成一个薄盘。在这个盘内，引力相互作用使恒星和气体云的轨道开始重叠，造成“交通拥堵”：“密度波”（density wave，使漩涡星系宏观图像保持准稳状态的物质密度和速度的波动）发生卷曲，形成了银河系的悬臂spiral arms，在一些星系中，激波（shock wave）在星际气体中传播时似乎也会形成悬臂。 没人真的知道，银盘的形成过程是花了10亿年还是100亿年的时间。还有，银河系本应在几十亿年前就用完所有原料，那它现在又是靠什么来继续制造恒星呢？要做到这一点，银河系自身必须是一个复杂的生态系统，使物质能在恒星和星际气体间来回循环。大部分星际气体是非常稀薄的，每立方米可能只有几百个原子。由恒星发出的紫外线将这些气体电离，形成的炽热离子气就在银盘上漂移。上世纪70年代，天文学家发现，由于某些未知原因，星际气体有时可以凝聚成星云非常致密，以至于可以屏蔽外部星光的照射。星云内部的气体能够冷却到-260-240，使气体中的原子可以形成分子（例如氢分子和一氧化碳分子），因而这些星云也被称为“分子云”（molecular clouds）。引力作用使这个致密的星云变得不稳定，一旦分子云形成，最厚的团块就会坍缩、加热并点燃热核聚变而变成恒星。 这些星云的恒星形成区域（通常被称为星系的“恒星育婴室”）是动荡不安的：新生的恒星会猛烈地向外喷射物质并释放大量的紫外辐射。质量最大的恒星很快就会以超新星爆炸的方式结束自己的生命；其他恒星则膨胀成为红巨星并抛射出外层物质，最终也会走向死亡。以上所有过程都会把气体送到更广阔的星系区域，在那里，气体将冷却、凝聚并再次开始这种循环。问题在于，银河系每年以几个太阳质量的速率把气体转变成恒星。按照这个速度，它本应早就用完所有可用的气体，但银河系至少在过去100亿年的时间里一直在不断地制造恒星表明它从其他地方得到了气体。 所谓其他地方很可能是一个外部的气体团，现已经在X射线和极紫外线波段上，观测到一个正环绕着银河系恒星晕的气体晕（类似的气体晕也可在其他星系周围观测到）。这个横跨几十万秒差距的气体晕，主要是由温度约为1000000的电离氢构成，它的密度很低，相当于每立方米只含有100个氢原子，但它巨大的体积使其质量不低于银河系中所有恒星质量的总和。它是一个不得了的物资库，只要得到它很小的一部分，就足以为恒星的形成提供几十亿年的原料。 如果气体晕冷却，坍缩到足以掉入银河系就像雾气沉降成露水，很可能就会变成我们所看到的、坠向银盘的高速气体云，这些气体云也可能与“喷泉”（fountain）有关：恒星爆炸变成超新星时，会把气体喷出1万至10万秒差距的距。恒星喷出的气体可能会进入气体晕，带走一部分离子气体，再以极高的速度掉入银盘。我们确实看到有些东西出去，有些东西进来，但我们不知道这一去一来的是否是相同的东西。核球和星系棒 在银河系中心，大约距地球8000秒差距的地方，有一个核球由一大堆年老的恒星构成，年龄约100亿岁，分布在一个大概有100亿个太阳质量的球体中。在这个核球的中央，有一根由年轻恒星构成的、长约20004000秒差距的星系棒，星系棒的起源目前还众说纷纭，但在其他螺旋星系中也观测到了相似的特征。 在这个核球的中心有一个巨大的黑洞，正好位于银河系的正中央。这个黑洞有400万个太阳质量，但和类似的黑洞比起来它还算是小的：大多数星系都有一个超大质量黑洞，它们往往能够达到数十亿个太阳质量。目前，银河系的中央黑洞也处在不活跃的时期，也就是说，它现在没有吸入什么东西。 不过，银河系的中央黑洞曾经是活跃的。2010年，美国哈佛史密森天体物理中心通过观察X射线发现，在银河系核球两侧垂直于银盘的方向上有两个气泡，每个气泡都长约7600秒差距，还观测到有微弱的射线喷流（从银河系中心发射出）射向这两个气泡。气泡和喷流都是黑洞活跃的标志，它们是由落入黑洞的物质向外发射能量喷流并在周围气体中产生激波时形成的，这表明银河系中央黑洞曾经是活跃的，估计这个黑洞在大约1000万年前是活跃的，而在更早以前，很可能也会间歇性地活跃。要是没有什么东西掉进去，黑洞就不会有400万个太阳质量那么大。一切的终结 几十年前，天文学家已经知道，距离我们最近的大型星系仙女座的M 31 漩涡星系，正在朝银河系运动，但当时还不知道的是，两个星系的碰撞是否无法避免，因为天文学家没法监测 M 31 漩涡星系的行进速度一个名为“固有运动”（proper motion）的量。2012年5月，空间望远镜科学研究所对比了仙女座与背景星系的位置随时间的变化情况，结果测出这个固有运动为每年11微角秒（microarcsecond）大致相当于你站在月球表面上，看地球上人类指甲的生长。目前，仙女座和银河系相距77万秒差距，并以每秒109千米的速度彼此靠近，预计将在大约60亿年后碰头。然后，它们将穿越彼此并互相环绕，到70亿年后，这两个漩涡星系将并合成一个椭圆星系。 椭圆星系是两种主要星系类型中的一种，与生机勃勃不断产生新恒星的漩涡星系相反，它就像一个没有特色的系统，只含有少量气体，也少有恒星生成。奇怪的是只有极少数椭圆星系处在过渡期从总体上看，星系要么非常活跃，要么特别沉寂。理论上对此作出的最好解释是，两个大型星系的并合导致了恒星形成的爆