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恒星流

恒星流,是小星系靠近巨星系,在强大的引力潮汐作用下,逐渐扭曲、瓦解,并被拉成纤细而壮观的星流。

小星系一旦靠近巨星系,就会受到强大的引力潮汐作用,逐渐扭曲、瓦解,并被拉成纤细而壮观的星流。

发现这些星际移民,需要一双锐利的眼睛。从理论上说,这些恒星会排成长长的一串(也就是星流, stream),从而暴露自己的行踪,就像拥挤舞池中的康加舞队一样(康加舞起源于拉丁美洲,舞者会排成一个长队一起舞蹈)。逆流追溯,有些星流会通向球状星团或者银河系的某个卫星星系那里大概是星流中恒星的发源地,有些星流则通往那些发源地如今仅存的遗迹。但实际上,由于“土著居民”相对均匀地分布在银河系中,星流几乎无法从点点繁星中突显出来,也就很难被人发现。为了克服这一难题,最近许多研究人员都采用了“匹配过滤”技术(matched-filter technique),这是第二次世界大战时期开发出来的技术,当时被用来获得来犯敌机的清晰影像。只要知道了土著恒星和“星际移民”的大致形态,这项技术就能过滤掉前者,让星流显现出来。

伊巴塔及同事在1994年发现的人马座星流,可能是最令人印象深刻的已知星流。这条星流宛如一串巨大的恒星项链,环绕在银河系周围。它的跨度超过100万光年,包含了大约1亿颗恒星,一直连接到人马座矮椭圆星系(Sagittarius dwarf elliptical galaxy,“矮”是指星系规模很小,“椭圆”是指星系形状呈椭球状)。银河系周围与它类似的小星系共有15~20个,它们就像卫星绕着行星一样围绕银河系旋转(因此又被称为卫星星系)。这些卫星星系大小不等,既有质量约为银河系十分之一的大麦哲伦云(Large Magellanic Cloud),也有质量为银河系百分之一的人马座矮星系,甚至还有质量仅有银河系百万分之一的暗弱星系。

居住在银河系附近可不是一件舒服的事情。这些小星系会逐渐变形,并被最终瓦解。人马座矮星系已经垂死挣扎了几十亿年,现已经走向瓦解。它的恒星将散落在整个银河系中,现在这样的星流也会逐渐消失,未来的天文学家将很难把它们与银河系的土著恒星区分开来。其他几个小星系也正在被银河系肢解,有些现在只剩下了一条星流(见第81页的表格)。大麦哲伦云则代表了另一类较为少见的现象银河系从那里夺走的是气体,而不是恒星。

星系瓦解背后的机制是引力的潮汐作用,这是我们非常熟悉的,同样的机制在地球上产生了海洋的潮起潮落。一个天体的不同部分经受不同的引力作用时,潮汐力就会产生。月球对地球朝向它的一面所施加的引力,比对背向它的一面施加的引力更大。两个力之间的差异尽管很小,不足以扯碎地球,却足以让海洋微微隆起。随着两个天体的相互绕转,海洋的隆起部位也会跟着转动,使地球上某一地点的海平面出现周期性的抬升或降低。与此类似,银河系也会在卫星星系或星团的一侧,施加比另一侧更大的引力作用,使它们扭曲变形。在这样的作用下,卫星星系或星团中的恒星会逐渐被银河系拖走(见下图所示)。久而久之,卫星星系失去的恒星就会越来越多。这些恒星像面包上掉落的面包屑一般,在卫星星系的前后形成了长长的尾巴。

更微妙的线索

星流会被银河系逐渐吸收,最终化为无形。然而六维相空间中的微妙线索,却能在茫茫星海之中,找到这些“星际移民”的蛛丝马迹。

如此看来,人马座矮星系等卫星星系在银河系的构建过程中做出过贡献。这些发现彻底改变了天文学家原先对星系形成的理论认识:他们曾经认为,所有的星系都直接起源于原始宇宙中几乎察觉不到的物质密度涨落(天文学家观测证实,早期宇宙各处的物质密度几乎相同,仅有大约万分之三的差异),其后便经历了早期的雪崩式生长,很快演化成现在这副模样。现在,基于对星流的观测,研究人员普遍认为,只有质量不超过10亿倍太阳的矮星系经历了这样的快速形成过程;像银河系这样质量相当于千亿颗太阳的大型星系,则是后来通过吸积和吞并矮星系而逐渐形成的。这种吞并过程一直持续至今,不过强度已大不如前。

银河系吞噬近邻星系的过程被天文学家抓了个正着,他们又提出了更加深入的问题:这些古老的星系“建筑原料”具有什么样的化学组成?现在的大型星系中“星际移民”和“土著居民”的比例是多少?这些小星系带来的化学元素如何改变银河系早期的演化历史?这些星流就像化石一样,记录着星系构建的历史,除此之外,它们还能在探测暗物质方面大显身手(见下页短文)。

要弄清这些问题,天文学家不仅需要了解哪些恒星正在被银河系掠夺,还要知道哪些恒星是已经被俘虏过来的。研究人员遇到的困难在于,一旦外来的恒星和气体混入银河系,我们就无法通过特有的空间分布来识别它们。天文学家必须找到更微妙的线索,来追溯这些恒星的起源,例如它们的运动模式和化学组成上的一些难以抹去的固有特征。

我们都习惯用位置和速度来刻画物体的运动。但运动还有其他不同的特性,可以用诸如能量和角动量之类的物理量来描述。正如物体的空间位置能够用3个坐标来描述,因此被称为三维空间一样,我们也可以用位置加上动量(一共6个物理量)来描述物体的运动状态,这个抽象的六维空间被称为相空间(phase space)。相空间的优点在于,与真实空间相比,恒星在相空间中的排列模式更有还原性(这里是指经历巨大变化之后恢复原状的能力)。尽管星系的吞并消化过程通常会破坏星流的空间结构,却无法抹去它们在相空间的整体结构[这就是统计力学中的一个重要原理刘维定理(Liouville's theorem)]。

因此,通过测量能量、角动量和相空间中恒星随机样本的密度,研究人员就能识别出无法直接观测到的星群。它们是很久以前被银河系瓦解的卫星星系的魅影。几个研究小组,例如荷兰卡普坦天文研究所(Kapteyn Astronomical Institute,位于格罗宁根市)的阿明娜希勒米(Amina Helmi)和美国华盛顿大学的克里斯B布鲁克(Chris B. Brook)各自领导的小组,已经用这项技术发现了一些被吞并的卫星星系的遗迹。目前已被发现的遗迹都位于太阳系附近,因为现有设备还无法足够精确地测量更遥远恒星的三维运动。

斯隆数字巡天计划测量了所选区域内近25万颗恒星的运动,寻找以相同速度飞行的星团。这次搜索发现了14条独特的恒星流,其中11条前所未见。美国加州大学圣克鲁兹分校研究生凯文施劳夫曼(Kevin Schlaufman)说,因为这次调查仅仅针对于银河系的极少区域,发现14条恒星流预示着“我们可能会在银河系剩余区域内发现大批恒星流。”

施劳夫曼表示,在银河系内7.5万光年的范围内有将近1000条恒星流,并估计他们观测到的14条恒星流每一条都是独立的结构。另外还有一种可能性,即恒星流其实比估计的数量少,因为它们在不同地区多次出现,以致研究人员认为数量很多。

哥伦比亚大学研究人员凯瑟琳约翰斯顿(Kathryn Johnston)将恒星晕环描绘成“面团”。她说:“在银河系中心,一条条的恒星流簇拥在一起,你会看到它们均匀地混合在一起。但是,当你再往远处望的时候,你开始发现一条条独立的恒星流,以及与‘面团皮’(pasta shell)存在诸多相似之处的特征,这些‘面团皮’来自处在更为瘦长轨道上的矮星。”

据约翰斯顿介绍,与银河系擦肩而过的矮星系经引力潮的作用,被拉长为像意大利面条一样的一条条恒星流,恒星以不同速度在相同轨道路线上运行时,这些恒星流就会绕着银河系风池电池般飞行。美国伦斯勒理工学院海蒂纽伯格(Heidi Newberg)及研究人员内森科尔(Nathan Cole)尝试在这些恒星流绕银河系运转时追踪其中一些的踪迹。

科尔说:“将这些东西拼凑起来是巨大的挑战,因为来自一个矮星系的恒星流可以绕银河系旋转,穿过从其他矮星系撕裂出来的恒星流。”纽伯格与科尔在朝处女座的方向至少发现了两组重叠结构的恒星流。斯隆数字巡天计划的图像在处女座那里揭示了覆盖广大区域的大量恒星。速率测试数据可以用于分离重叠结构,其中一些来自于人马矮星系的潮汐臂(tidal arm)。

斯隆数字巡天计划的数据还揭示了14颗伴随银河系的幸存矮星,其中两颗在芝加哥的研讨会上宣布。这些小星系如今在由无形暗物质构成的晕环内运行,暗物质的引力使得银河系紧紧地抱在一起。与斯隆数字巡天计划之前发现的矮星相比,新近发现的矮星的光线更加微弱。

尽管斯隆数字巡天计划可以探测到光线极为微弱的矮星,但只有这类矮星在其附近时才能做到这一点,所以,在银河系晕环深处可能隐藏着数百个矮星。约翰斯顿说:“斯隆数字巡天计划让我们对银河系及其邻居的情况有了深入了解。但我们仍会开始全面地绘制银河系的地图,那里隐藏着许多重大发现,供新一代探测计划去揭示,比如斯隆数字巡天-III将要实施的两个新的银河系探测计划。” [2]

2008年4月18日,据国外媒体报道,一支国际天文学家小组在两个邻近的螺旋星系外缘发现了巨型恒星流。这是天文学家第一次对星系相互吞食进行全景观察,这种星系吞食与银河系吞噬附近的人马座矮星系类似。

第一个巨型星流分布于距离地球4000万光年的星系NGC 5907周围。这个巨型星流由至少40亿年前它的一个矮伴星系毁灭形成。研究小组表示,这个矮星系以恒星、星团和暗物质的形式失去大部分质量。所有这些均遍布在它的轨道周围,最NGC 5907终形成一个复杂的十字形“星系化石”集合,“星系化石”的半径长达15万光年。

西班牙卡纳利天文物理研究所研究员、进行此次观测的研究小组负责人大卫马丁内斯说:“我们的观测结果为了解螺旋星系周围出现的壮观天文现象提供了新视角。晕轮中含有‘矮星系化石’,为我们研究类似银河系的星系形成的最后阶段提供了一个特殊机会。”天文学家的寻找之旅并没有发现被吞噬的星系的主要天体,他们依此断定这个星系现已被完全摧毁。马丁内斯说:“这些星流很难被探测到,所含恒星的密度极低。这种低密度让它们给人一种可怕的感觉。如果与矮星系之死联系在一起,它们可能被称之为现已被吞噬的星系的鬼魂。”

在此次观测过程中,研究小组还在星系NGC 4013中发现了另一个巨大细长的环状恒星流。NGC 4013位于大熊星座,距地球近5000万光年。这一星流从中心伸出的鬼魂般的尾巴长度超过8万光年,由古老的贫金属恒星组成。虽然尚不清楚它的三维结构,但可能与麒麟星座的“星流”非常类似,所说的“星流”是围绕银河系的恒星组成的一个环,由30亿年前一个矮星系毁灭形成。

加拿大维多利亚大学理论天体物理学家、研究小组成员约格帕尔鲁比亚擅长创建星流模型。帕尔鲁比亚表示:“与这些星流相匹配的理论模型允许我们再现它们的历史,并描述其中一个最为神秘同时也最具争议的星系组成成分暗物质。”

马丁内斯说,为了完成此次寻找和探测星流的工作,研究小组邀请著名天体摄影师杰伊贾巴尼加盟。在获取图片过程中,贾巴尼的帮助起到了决定性作用。事实再次证明,业余人员能够为天文研究做出巨大贡献。多年来,贾巴尼便利用位于新墨西哥和澳大利亚的小型自动望远镜获取引人入胜的彩色深空图片。他的图片曾刊登在世界上最为流行的天文学杂志。贾巴尼在此次观测中的表现证明,业余天文学家能够为21世纪的天文学研究做出潜在贡献。在新技术帮助下,他们有能力参与竞争激烈的国际科研项目。 [3]

2007年,美国科学家在银河系周围发现三条恒星流,这些恒星流可能是“遭到肢解”的星团和星系的残留物。

恒星流的发现表明,银河系可能对这些“匆匆过客”而言是个不能久留的危险之地。美国加利福尼亚理工学院的研究人员卡尔格里尔迈尔近日在美国天文学会大会上详细描述了他们的发现。这些恒星流据认为形成于数十亿年前,当时银河系的引力缓慢地将球状星团、甚至矮星系撕裂分开。这些恒星之间的距离曾经十分紧凑,但在高速经过星系晕时,在银河系的引力作用之下,它们的运行速度减缓,相互间的距离达数光年远。 在此项研究中,格里尔迈尔及同事分析了来自“斯隆数字巡天”(SDSS)计划的数据,对恒星颜色和发光强度进行了比较,把相似的恒星分成一组。结果发现,在最新找到的恒星流中,其中两个距地球约13,000光年远,有可能是由数十万个古老恒星组成的球状星团的残余物。天文学家已确定了约150个绕银河系运行的球状星团,不过他们认为过去宇宙中可能存在数千个此类星团。

第三个恒星流距离地球约130,000光年远,可能是目前已知距离银河系最近的矮星系。迄今为止,天文学家在银河系发现了约20个矮星系,但同时他们对为何不能找到更多矮星系充满困惑。格里尔迈尔在接受美宇航局太空网采访时表示:“新发现可能向我们揭示了看不到它们的原因,因为它们的分布状况全部与上述这些恒星流很相似。”他接着解释说,矮星系同银河系之间可能存在着一个安全距离,任何越过雷池一步的矮星系可能会被“烤焦”。

天文学家认为,矮星系中由数亿颗恒星组成,可能充满了暗物质,暗物质被认为是将银河系紧紧粘在一起的“胶水”。据格里尔迈尔推测,恒星流在未来几年将是科学界关注的焦点,因为它们是科学家了解银河系过去、现在和未来的窗口,还有可能是证明暗物质存在的证据。

有关银河系形成的一种理论称,无数矮星系融合在一起,并持续着这种融合态势,最终形成了银河系。科学家推测,新发现的矮星系流可能就是这种融合的结果,在银河系引力的诱惑之下,逐渐臣服于银河系。格里尔迈尔说:“最新发现对银河系考古研究而言是激动人心的时刻,发现更多恒星流确实有助于我们深入了解银河系的结构和演变。”

据《新科学家》网站2008年8月16日报道,美国加州一大学生最近在银河系中发现了11条新的恒星流,有科学家认为这一发现为宇宙中“暴力事件”的存在提供了新的证据。

来自美国加州大学的学生凯文(Kevin Schlaufman)在观测银河系内光环恒星自转的速率时,发现了11条新的恒星流,而此前这个区域只有两条恒星流。这11条恒星流都差不多以相同的速度在运动,这表明它们来自同一个地方,很可能是被我们的银河系从它附近的矮星系中吞噬过来的。

在此项研究中,凯文和他的导师康妮(Connie Rockosi)教授分析了来自“斯隆数字巡天”(Sloan Digital Sky Survey)计划的数据。他们发现,在我们的银河系中有一个范围为75000光年的区域,这个区域中大约有1000条恒星流,它们都是我们银河系从其他星系中掠夺过来的。康妮教师表示,这表明宇宙中“暴力事件”是经常存在的。

康妮教授介绍,小星系一旦靠近巨星系,就会受到银河系强大的引力潮汐作用,逐渐被扭曲、瓦解,并被拉成纤细而壮观的星流。这11条恒星流的发现表明,我们的银河系是很“暴力”的,不过这在宇宙种非常常见,而宇宙种“暴力事件”的背后则是引力的潮汐在起作用。这种引力潮汐作用对地球也有影响,比如地球上海洋的潮起潮落。 [4]

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