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“大廚”銀河系“在線拉面”

2021-04-08 11:17:47 來源：新華日報

浩瀚銀河之中，眾多有相似運動軌道的恒星組成的河流狀結構被稱為“星流”。星流的形成動輒上億年，人類文明與之相比不過須臾。這些鏈狀星流是如何形成的？怎樣才能復原星流形成的全部“劇情”？

近日，中國科學院紫金山天文臺常江博士、中國科學院上海天文臺袁珍博士和中國科學院國家天文臺趙剛研究員等專家團隊將目光聚焦于鯨魚座星流，利用一系列高精度動力學數(shù)值模擬，在計算機中重構出鯨魚座星流的形成過程，并對其在被銀河系吞食前的樣子做了畫像。日前，團隊成員常江接受《科技周刊》記者采訪，為我們揭開鯨魚座星流形成的神秘面紗。

“大廚”銀河系“在線拉面”

很早很早以前，一個由數(shù)億顆恒星組成的矮星系（光度最弱的一類星系）被銀河系捕獲，成為銀河系的衛(wèi)星星系，并繞著銀河系運行。約50億年前，太陽剛開始燃燒，地球也還未形成的時候，在距離銀河系中心12萬光年的地方，銀河系巨大的潮汐力將這個矮星系由外向內(nèi)地“剝開”，被潮汐剝離的恒星慢慢脫離這個矮星系，但仍然圍繞著銀河系運行，其中有的恒星“跑”到了前面，有的恒星“落”在了后面，最終形成了以矮星系為中心一前一后的星流，也正是今天故事的主角——鯨魚座星流。

“鯨魚座星流最早是由美國研究團隊在2009年發(fā)現(xiàn)，它源于一個約為兩千萬倍太陽質量、大概形成于120億年前的矮星系。”常江在接受《科技周刊》記者采訪時表示，如果把矮星系大致想象成一個由數(shù)億顆恒星組成的大洋蔥，銀河系的潮汐作用把這個洋蔥一層層地剝開，直至將其摧毀。不同時刻被剝下來的“洋蔥瓣”由于能量和動量的差異，里面恒星的運動速度也不一樣，在銀河系引力場中，它們就像是拉面師傅——銀河系手中的“面團”，被越抻越長，最終形成鏈狀的星流。“在各種擾動的影響下，‘拉面’中恒星的分布變得越來越彌散，星流越來越寬。最后，在銀河系這個大鍋中‘煮’了50億年的‘恒星面條’被‘煮化了’，留下了難以辨認的痕跡，也就是我們現(xiàn)在觀測到的鯨魚座星流。”

如果把鯨魚座星流的形成換算成一場兩小時的電影，從400年前伽利略第一次把望遠鏡對準天空開始算，人類也只看到了這場電影的五千分之一秒，想要看到這場電影的第二幀畫面，還需要再等三萬年。“矮星系并非被銀河系‘一口吞下’，一般而言，寬星流整個形成過程需要耗費幾十億年，窄星流也至少需要數(shù)億年。實際上，由于觀測能力的限制，人類甚至連其中很小的一部分都無法觀測。”常江介紹，就像警察通過犯罪現(xiàn)場的蛛絲馬跡來還原案件經(jīng)過一樣，我們只能從望遠鏡中觀測到的一幀畫面的一個小部分出發(fā)，在計算機中推測整個鯨魚座星流形成的全部“劇情”，以及“主演”——鯨魚座星流的前身矮星系的樣子。

“撈”出五十億年的“恒星面”

僅憑觀測到的星流現(xiàn)狀，如何才能準確推測還原出星流長達幾十億年的形成過程呢？常江表示，想要準確重構，找到正確的“主演”（矮星系）非常關鍵。考慮到星流的形成過程受到很多因素影響，團隊首先根據(jù)現(xiàn)在對星系結構的研究使用理論模型，構建了數(shù)十個可能的“主演”，然后在不同時間把它們從不同位置，以不同速度放到銀河系的引力場中，在計算機中模擬這些“演員”在銀河系引力場中的動力學演化。團隊仔細對比觀測結構和模擬結果，最終選取數(shù)百個模擬中貼合度最好的一個。而被挑選出來的矮星系的演變過程，則大致是鯨魚座星流的形成歷史。“我們能較可靠地給出鯨魚座星流前身矮星系的質量、形態(tài)以及星流開始形成的時刻等信息，這種對星流形成過程細節(jié)上的深入研究在國外的同類研究中是沒有的。”常江說。

在這碗“煮化”了的“恒星面”中，如何“撈”出正確的“面”，也是重構工作的一大難點。常江解釋，找寬星流的本質是在動力學空間中“找團”，首先要獲得恒星在動力學空間中的分布。“目前還沒有哪個望遠鏡能單獨做到這一點，因而需要交叉不同望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)，來獲得恒星完整的運動學參數(shù)。”國內(nèi)有很多團隊發(fā)布了多個針對不同方向的星表，這些星表是科研團隊研究的基礎。雖然星流的空間分布范圍非常彌散，但基于團隊自主開發(fā)的機器學習自組織神經(jīng)網(wǎng)絡從動力學空間尋找星流的新算法——StarGO（恒星圍棋），我們依舊能很好地在動力學空間中通過成團性找到星流。這個算法比現(xiàn)有的星流尋找算法在效率、完備度以及可靠性上，都有明顯的提升。“利用StarGO，我們在2019年成功認證出鯨魚座星流的158顆成員星，并與國家天文臺薛香香研究員通過Friends-Of-Friends（朋友的朋友）算法從動力學空間成團性找出的星流做了對比，檢驗了我們找出的星流成員星的可靠性。”

常江坦言，在以前，由于觀測技術的限制，天文學家們只能看到小質量矮星系或者更小質量的球狀星團形成的細星流，即“小碗細面”。因為缺乏動力學信息，人們無法獲得細星流的軌道參數(shù)，只能粗略地擬合星流在天空中的分布軌跡，難以給出完整的形成歷史。而近幾年來，隨著以我國郭守敬望遠鏡（LAMOST）為代表的地面望遠鏡和以歐空局蓋亞（Gaia）項目為代表的空間望遠鏡的陸續(xù)投入使用，對星流的研究開始深入到大質量矮星系形成的寬星流，即“大碗寬面”。這些新一代望遠鏡陸續(xù)投入使用后，不僅大大拓展了能找到的星流形態(tài)范圍，將星流的研究拓展到中期和晚期形態(tài)，還能清楚地看到星流的內(nèi)部結構和運動方向。

“‘大碗寬面’的分布范圍更廣，結構更復雜，同時由于演化時間更長，其受到銀河系的影響更多，包含了更多時間和空間上的信息。”常江說，由于之前長期缺乏大型望遠鏡，導致我國在細星流的觀測上相比國外缺少幾十年的積累。但隨著郭守敬望遠鏡的投入運行，大樣本光譜數(shù)據(jù)不斷積累，目前我國已經(jīng)找到了很多寬星流，實現(xiàn)了在銀河系星流這一研究領域的“彎道超車”。

“大碗寬面”里捕捉銀河奧秘

銀河系是人類所處的“島宇宙”，包含了約一千億顆恒星，范圍超過十萬光年，而太陽只不過是這個“島宇宙”中一顆普通的矮星。銀河系的形成和演化、銀河系的整體結構，以及銀河系近鄰宇宙學的研究是天文學的重點和前沿。常江告訴《科技周刊》記者，根據(jù)目前主流的宇宙結構形成理論，我們宇宙中小的結構首先形成，然后通過不斷地并合，相互吞食形成大的星系。銀河系作為一個典型的大質量星系，形成過程中也必然經(jīng)歷了多次并合事件，即通過吞食周圍的矮星系而成長為現(xiàn)在這個“大個子”。星流正是這一吞食過程所留下的痕跡，因此它也被視為研究銀河系結構和形成歷史的重要探針。

星流研究進入“大碗寬面”時代，無疑可以讓人類在空間上和時間上對銀河系有更為全面的認識。“一方面，‘寬面’是經(jīng)過銀河系長期的潮汐剝離過程影響而形成的，其中包含了銀河系的質量增長過程的信息；另一方面，‘大碗’所對應的大質量矮星系被銀河系吞食的過程，不僅是銀河系形成過程的重要事件，還可以用于檢驗宇宙學模型。”常江說。

由于只能看到銀河系在當前時刻的一小部分畫面，人們對銀河系形成過程和演化過程中經(jīng)歷的并合事件一直都不甚了解。兩年前，中國科學家團隊曾利用郭守敬望遠鏡為銀河系的伴星系——人馬座星流描繪過三維空間軌道分布情況。而在很長一段時間里，人馬座星流的形成也是人們唯一知道的銀河系所經(jīng)歷的大質量矮星系并合事件，因此人們普遍將銀河系很多結構的形成都簡單歸結于人馬座矮星系的擾動。

“本次我們重構的鯨魚座星流同樣是由大質量矮星系形成，這或許為銀河系中眾多奇特結構的形成提供了另外一種可能。”據(jù)了解，當2018年Gaia衛(wèi)星數(shù)據(jù)公開后，人們發(fā)現(xiàn)銀河系在100億年前有過一次大并合，正是這個并合形成了銀河系的中央結構。而此次鯨魚座星流重構的研究填補了100億年前至今的一個大質量并合事件的空白，為研究這段時間中銀河系的形成和演化提供了一個很好的線索。

常江告訴記者，這個春天，我國的空間站“天宮”的核心艙段將會發(fā)射進入太空。再過兩年，中國空間站望遠鏡（CSST）將會發(fā)射。屆時，我們將會擁有一個比“哈勃”更強大的太空望遠鏡，相信海量的數(shù)據(jù)和更多激動人心的發(fā)現(xiàn)也將會隨之而來。（謝詩涵）

標簽：星流銀河系