銀河系那些事兒(4)敞開大門歡迎你
高爽
2014年08月07日
(原載于《天文愛好者》2013年4月號。)
燈火璀璨的北京,繁星的光和城市的光一起掉落。一個叫做“銀河SOHO”的建筑在東二環(huán)路邊落腳,人們進進出出,繁忙如白晝。自然的銀河,也不平靜。外來的星辰,包括氣體、塵埃、和太陽那樣的恒星,被銀河系吸引而落入??
銀河系,除了我們前幾期講到過了盤和核球以外,還有一個叫做“暈”的成分,包含著稀疏的恒星和一百多個緊密的球裝星團。1978年,關于銀河系尤其是銀河系的暈的起源的理論遭到了挑戰(zhàn)。美國兩位天文學家勒拿德 希爾勒(Leonard Searle)和羅伯特 金恩(Robert Zinn)發(fā)表論文提出了一個描繪銀河系的暈形成的全新的圖景。他們反駁了之前經(jīng)典理論認定的銀河系的暈來源于一大團分子云的冷卻和塌縮。雖然經(jīng)典理論的奠基者是天文學界的三位泰斗——艾根、蘭登貝爾、桑德奇。但希爾勒和金恩堅持認為,分子云塌縮用不了太長時間,而他們觀測到銀河系暈中的恒星形成可能有著很大的時間跨度。這個新版本的理論提出了一個有創(chuàng)意的想法,銀河系的暈可能形成于小塊的物質逐漸落入的過程。如果說經(jīng)典理論是先大后小逐漸冷卻,新理論則是從小到大層層積累的過程。
今天的天文學家們面臨著一個兩難的選擇。如果相信宇宙學的成功,就必然得出一個結論:銀河系周圍應該存在比觀測到的多得多的小星系。這些小星系被稱為矮星系,它們成為銀河系的衛(wèi)星星系,在銀河系的引力束縛下運動。但是天文觀測卻沒有見到足夠數(shù)量的矮星系。它們都到哪里去了呢?
將這個疑難的問題與之前希爾勒和金恩的挑戰(zhàn)性假說結合起來,我們似乎可以大膽地提出一個想象:有沒有可能,正是這些矮星系,紛紛落入到銀河系的懷抱內,逐漸演化成了今天銀河系的暈?有沒有可能,今天銀河系的暈的部分,至少其中大部分是“外來戶”?這些星系際的移民今天看上去和銀河系的原住民沒什么兩樣,我們如何將它們分辨出來?
美國RPI的柳海迪教授早在多年前就參與了一項發(fā)現(xiàn)落入銀河系的外來恒星的遺跡的工作。柳海迪(Heidi Newberg)教授每年要在中美之間往返多次,每次來中國,住在北京的國家天文臺招待所里,與國家天文臺的鄧李才研究員領導的團隊交流學術問題。每次長則半個月,短則幾天。柳海迪教授與鄧李才研究員分別是一個中美雙邊項目的雙方負責人。這個項目利用國家天文臺新建的4米口徑郭守敬望遠鏡(LAMOST)進行銀河系科學的研究。理論上,天文學家了解到一個事實,如果同時考慮恒星的位置和速度這些物理量,就有可能幫助我們還原出那些星系際移民的真實來路。雖然很多“移民”恒星在空間位置上已經(jīng)和“原住民們”混搭在一起,但是,“移民”和“原住民”的速度可能有較大的差別。如果再通過光譜細致地考察這些速度異常的疑似“移民”的化學成分,就可以把它們比較可靠地辨認出來了。
在美國、中國、歐洲等地的天文學家的共同努力下,天文學屆已經(jīng)基本確認了十幾條星流。它們是移民進入銀河系的路徑,有些移民恒星一直沿著星流的路徑運動到盡頭,有的已經(jīng)被遺落在旅途當中。
今天,天文學家已經(jīng)可以用大型計算機來模擬這些星流先后落入銀河系的過程。這給研究工作帶來了很便利和直觀的體驗。哪一種模擬更符合今天世紀觀測到的銀河系的景象,哪一種星流移民的方式可能就更接近歷史的真相。有人把這樣的領域稱作“銀河系考古學”。進行這樣的研究工作,一方面需要大量的觀測數(shù)據(jù),另一方面需要強大的計算機運算設備。而這兩項需求都是十分耗費經(jīng)費呢。要獲取天文意義上的大量數(shù)據(jù),我們需要建造大型的自動化控制的望遠鏡,不僅需要精密的望遠鏡儀器設備,還需要建造在適合天文觀測的特殊地點。國家天文臺正在運行的郭守敬望遠鏡就是這樣一架有著極高觀測效率的新設備,它正在為柳海迪教授與鄧李才研究員領導的小組獲取著海量的恒星數(shù)據(jù)。天文學家每天將這些新觀測到的數(shù)據(jù)分析處理,獲得這些恒星的光譜,從而了解它們的速度和化學組成。
在5年的時間里,郭守敬望遠鏡要獲取1千萬恒星的數(shù)據(jù),其中包括了一部分銀河系暈中的恒星。這意味著,未來3到5年,圍繞著銀河系暈的“考古學”,將被進一步激發(fā)出新的活力。
銀河系的暈中,100余個球裝星團圍繞著銀河系的中心運動著。球裝星團與散落的場星,共同組成這個銀河系的重要組成部分。它們可能不知道,在遙遠的銀河系盤上的太陽附近,人們建造了和正在建造著大量的儀器設備想對它們的來歷查個究竟。它們可能不知道,它們的年齡、歷史、運動速度化學組成,都是那個遙遠的地球上的人們津津樂道的話題。能夠穿過這層遙遠的,是它們自身不曾停歇的星光,以及人們的好奇心與智慧。
25歲的田浩已經(jīng)來到荷蘭的天文研究所大半年了,他在2011年夏天從北京師范大學天文系碩士畢業(yè)后到荷蘭繼續(xù)從事博士學習,期間,他將學習嘗試用新的方法估計那些球裝星團和場星中“移民恒星”的比例。無論是田浩,柳海迪,還是金恩,他們的年齡與矮星系移民落入銀河系形成的暈的年齡比起來,都是微不足道的。但是微不足道的年齡,可以深刻地理解悠悠漫長的銀河系的歷史。這又是一個精彩的故事。
東二環(huán)路邊的銀河SOHO,是一座形狀怪異的建筑物,未來,這里將成為吸引各種職業(yè)、身份的人來娛樂、消費、交流、分享的公共空間。SOHO中國的老總潘石屹和這座建筑物的總設計師扎哈 哈迪德(Zaha Hardid)一樣都是移民,它們用智慧構建的這座龐然建筑敞開了空間迎接來到這里的所有人。筆者去參加落成開幕式時,被工作人員在身上貼了一枚夜光小星星。旁晚的北京,國際化的建筑物的下沉廣場,閃爍著萬千夜光的小星星,這閃耀著的是人頭攢動,以及我們頭頂?shù)男浅健?